DE68906944T2

DE68906944T2 - Elastischer Reibstoff.

Info

Publication number: DE68906944T2
Application number: DE1989606944
Authority: DE
Inventors: Thomas Alan Genise
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2009-03-24
Also published as: AU3168589A; DE68906944D1; AU623119B2; JP2973323B2; ES2041409T3; BR8901502A; EP0335600B1; EP0335600A1; JPH0217224A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf flüssigkeitsgekühlte, reibungsmäßig in Eingriff stehende, energieabsorbiernde Einrichtungen, wie beispielsweise Kupplungen und Bremsen. Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein offenporiges, elastisches Reibmaterial und auf ein Verfahren zum Befestigen des Materials auf einem Tragglied.
Offenporiges Kohlenstoff/Kohlenstoffverbund-Reibmaterial, das aus einem Carbonfasern enthaltenden Substrat gebildet wird, welches durch chemische Dampfabscheidung (CVD = chemical vapor deposition) mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet oder überzogen ist, ist im Stand der Technik bekannt wie durch Bezugnahme auf US-Patent 4 291 794 und 4 700 823 gesehen werden kann.
Blockierte Gangwechselgetriebe der Einzel- oder Verbundbauart sind auch im Stand der Technik bekannt, wie mit Bezug auf US-Patent 3 983 979; 4 141 440; 4 176 736 und 4 703 667 gesehen werden kann.
Blockierkupplungsanordnungen, die in diesen Wechselganggetrieben verwendet werden, umfassen erste und zweite positive oder Klauenkupplungen, die axial zwischen Eingriffspositionen und gelösten Positionen bewegt werden können, um Gangänderungen zu bewirken. Jede Anordnung umfaßt einen reibungsmäßig in Eingriff bringbaren Blockierring, welcher einen asynchronen Eingriff der Klauenkupplungen verhindert ansprechend auf eine anfängliche Eingriffsbewegung davon. Der Blockierring wird von der ersten Klauenkupplung zu einer beschränkten Bewegung relativ dazu getragen und umfaßt eine Reiboberfläche, die mit einer zweiten Reiboberfläche in Eingriff kommt, welche zur Drehung mit der zweiten Klauenkupplung befestigt ist, und zwar ansprechend auf eine anfängliche Eingriffsbewegung der Klauenkupplungen. Falls die Klauenkupplungen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder Drehzahlen während der anfänglichen Eingriffsbewegung davon drehen, bewirkt der Reibungseingriff eine begrenzte Drehung des Blockierrings in eine Position, die einen Eingriff der Klauenkupplungen blockiert, bis im wesentlichen eine Synchronisation der Klauenkupplungen erreicht ist.
Die oben beschriebenen Blockierkupplungsanordnungen haben die Komplexität und den Aufwand, der erforderlich war, um Gangwechsel zu bewirken, in großem Maße verringert. Jedoch waren die Blockierringe aus verschiedenen vermuteten Gründen dafür bekannt, daß sie sich vorzeitig in die nicht blolckierende Position bewegen, bevor die Klauenkupplungen eine Synchronisation oder im wesentlichen synchrone Drehzahlen erreichen und haben dadurch einen asynchronen Eingriff der Klauenkupplungszähne gestattet, wobei sich eine übermäßige Abnutzung davon und in einigen Fällen ein Versagen der Klauenkupplungen ergab. Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt eine energieabsorbierende der Einrichtung, wie sie in den US-Patenten 4 291 794 und 4 700 823 gezeigt ist, mindestens zwei relativ drehbare Glieder mit zueinander weisenden Funktionsoberflächen, die in Eingriff gebracht werden können, um die relative Drehung zu verzögern; ein offenporiges Kohlenstoff/Kohlenstoffkompositmaterial, das an mindestens einem der Glieder befestigt ist zum Definieren von mindestens einer der Reiboberflächen, wobei das Material ein Substrat umfaßt, das durch ein Kohlenfasermaterial definiert ist, das in ein Substrat bzw. einen Stoff mit einer einzelnen Lage gewebt ist und mit Kohlenstoff überzogen ist, der durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozeß darauf abgeschieden wird, mit einer Dichte von 0,3 bis 1,3 g/cm³; ein flüssiges Kühlmittel in Verbindung mit den Oberflächen; und Betätigungsmittel zum Bewirken des Reibungseingriffs mit der Oberfläche. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Material und die Webung so gebildet sind, um das Substrat mit einer Elastizität in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Webung vorzusehen, und zwar vor und nach dem chemischen Dampfabscheidungsprozeß; und daß das Verbundmaterial an dem einen Glied befestigt wird in einer Weise, die die Elastizität im wesentlichen erhält.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Kupplungsanordnung vorgesehen, die folgendes umfaßt: eine erste kegelstumpfförmige Oberfläche, die nicht drehbar relativ zu einer ersten Klauenkupplung ist;
Blockiermittel, die mit einem begrenzten Grad der Drehbarkeit relativ zu einer zweiten Klauenkupplung angebracht sind;
eine zweite kegelstumpfförmige Oberfläche, die reibungsmäßig in Eingriff bringbar mit der ersten Oberfläche ist, und zwar ansprechend auf anfängliche axiale eingreifende Bewegung der Klauenkupplungen durch Betätigungsmittel;
ein flüssiges Kühlmitel, das in Verbindung steht mit den Reibungsoberflächen, wobei die Blockiermittel Mittel aufweisen, welche das Blockieren eines asynchronen Eingriffs der Klauenkupplungen bewirken; dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Reibmaterialsegmente vorgesehen sind, die mit mindestens einer der kegelstumpfförmigen Oberflächen verbunden sind, wobei ihre vorderen und hinteren Kanten mit im wesentlichen gleichen umfangsmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, und wobei die Segmente aus einem offenporigen Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundmaterial gebildet sind, das ein Substrat aufweist, das definiert wird durch Kohlenstoffasergarn, welches in eine einzige Schicht oder Lage eines Gewebesubstrats gewebt wird und mit Kohlenstoff überzogen wird, der durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird, und zwar auf eine Dichte von 0,3 bis 1,3 g/cm³, wobei das faserartige Material und die Webung gebildet sind, um das Substrat mit einer Elastizität in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Webung zu versehen, und zwar vor und nach der chemischen Dampfabscheidung, wobei die Elastizität größer ist als die Elastizität einer vergleichbaren Webung, die aus Kohlenstoff-Fasersträngen gebildet ist und eine vergleichbare Menge Kohlenstoff besitzt, der durch chemische Verdampfung abgeschieden ist, und wobei das Verbundmaterial mit dem einen Glied in einer Art und Weise verbunden ist, die im wesentlichen die Elastizität erhält.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist auch ein Verfahren vorgesehen zum Vorsehen eines starren Gliedes mit einer elastischen Reibungsoberfläche, die definiert wird durch ein Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial, das ein Substrat aufweist, das definiert wird durch ein kohlenstoffaserartiges Material, das in eine einzige Schicht oder Lage eines Gewebes gewebt ist, die mit Kohlenstoff überzogen ist, der auf dem faserartigen Material durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wurde; wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Bilden des faserartigen Materials aus Garnen, die durch Kohlenstoff-Fasern definiert sind;
Weben der Garne in ein offenporiges Gewebe mit einer Elastizität in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Gewebes, wobei die Elastizität größer ist als die Elastizität einer vergleichbaren Webung, die aus kohlenstoff-faserartigen Strängen gebildet ist;
Begrenzen des Kohlenstoffüberzugs auf den Fasern auf eine Verbunddichte von 0,8 bis 1,1 g/cm³ zum Beibehalten der Offenporigkeit und Elastizität des Gewebes;
Schneiden des Verbundmaterials in Segmente;
sandwichartiges Einschließen eines Klebers zwischen dem Glied und mindestens drei umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneten Segmenten, wobei das Volumen des Klebers geringer ist als das offenporige Volumen jedes assoziierten Segments;
Anlegen eines im wesentlichen gleichmäßig verteilten Drucks auf die Reiboberfläche zum Bewirken des Extrudierens des assoziierten Klebers in die offenen Poren der Segmente;
Begrenzen der Größe des Drucks auf ein Maximum von 1825 kPa (250 engl. Pfund pro Quadratzoll) zum Minimieren des Zerdrückens des Verbundmaterials und zum Beibehalten des offenporigen Volumens jedes Segments, das größer ist als das Volumen des assoziierten Klebers;
Anlegen von Wärme an die Segmente, den Kleber und das Glied zum Bewirken des Extrudierens des Klebers in die offenen Poren, die benachbart dazu liegen und zum Aushärten des Klebers, und
Beibehalten des begrenzten Drucks, während die Wärme angelegt wird.
Die Erfindung wird nun in größerer Einzelheit beschrieben, und zwar nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Blockierkupplungsanordnung ist, die eine Umgebung für die Verwendung der Erfindung aufweist;
Fig. 2-5 zeigen Merkmale der Anordnung in Fig. 1;
Fig.6A-6C zeigen jeweils die Blockierkupplungsanordnung in einer neutralen oder nicht ausgewählten Position bzw. in einer vorgewählten Position bzw. in einer in Eingriff stehenden Position;
Fig. 7-8 zeigen die Konfiguration und Position eines Kohlenstoff/Kohlenstoffkomposit-Reibmaterials gemäß der Erfindung; und
Fig. 9-10 sind vergrößerte photographische Draufsichten auf die Reibungsoberfläche des Materials.
Bevor mit der genauen Beschreibung fortgefahren wird, werden Definitionen einiger technischer Ausdrücke gegeben, um ein klareres Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
1. Pyrolytisches Kohlenstoffkompositmaterial - ein Kohlefasersubstrat, das durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozeß (CVD) mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen oder verdichtet wurde.
2. Substrat - eine Anordnung von Kohlenstoffasern oder -fäden.
3. Faden - eine Faser, dessen Seitenverhältnis (Länge zu effektivem Durchmesser) für alle praktischen Zwecke unendlich ist, d. h. eine kontinuierliche Faser.
4. Faser - relativ kurze Längen mit sehr kleinen Querschnitten, die zerteilte Fäden sein können.
5. Strang - ein Bündel kontinuierlicher Fäden, die in einer einzigen kompakten Einheit ohne Verdrehen kombiniert sind.
6. Garn - eine Anordnung gedrehter Fasern oder Stränge, um ein kontinuierliches Garn oder gesponnenes Garn zu bilden, das geeignet ist zur Verwendung beim Weben.
7. Verbindungsmaterial - Elemente oder Substanzen, die fähig sind, zwei Materialien in erster Linie durch Oberflächenbefestigung zusammenzuhalten, beispielsweise Haftmittel bzw. Klebstoffe oder (Hart-)Lote.
8. Adhäsion - der Zustand, in dem zwei Oberflächen an einer Zwischenfläche bzw. einem Übergang durch Kräfte oder Verriegelungswirkung oder beides zusammengehalten werden.
9. Mechanische Adhäsion - Adhäsion zwischen Oberflächen, bei denen das Haftmittel die Teile durch Verriegelungswirkung zusammenhält.
10. Kohlenstoff - hierin umfaßt der Ausdruck Kohlenstoff Graphit, außer wenn der Ausdruck Graphit ausdrücklich verwendet wird.
11. Gesamtporosität - umfaßt offene und geschlossene Poren oder Leerstellen in dem Kompositmaterial. Offene Poren sind zu der Oberfläche des Komposits offen und können sich vollständig durch das Komposit erstrecken.
12. Synchronisierer - eine Einrichtung mit Blockiermitteln zum Verhindern eines asynchronen Eingriffs der Klauen- oder Keilnutenzähne positiver (Klauen-)Kupplungsglieder, und Reibmittel, die betriebsmäßig vorgesehen sind, um einen Eingriff der Blockiermittel zu bewirken und um ausreichend Drehmoment zu erzeugen während der meisten Betriebsbedingungen, um die positiven Kupplungsglieder zur Synchronisierung zu treiben.
13. Blockierer - eine Einrichtung ähnlich einem Synchronisierer, jedoch nicht betriebsmäßig vorgesehen oder wirksam während der meisten Betriebsbedingungen, um ausreichend Drehmoment zu erzeugen, um die positiven Kupplungsglieder effektiv zur Synchronisierung zu treiben. Die hier gezeigten Blockierer der allgemeinen Bauart sind in der Technik bekannt, wie bei Bezugnahme auf die oben genannten US-Patente 3 983 979; 4 141 440; 4 176 736 und 4 703 667 ersichtlich ist.
Mit Bezug nun auf Fig. 1 und 2 ist darin eine Blockierkupplungsanordnung 10 gezeigt mit ersten und zweiten positiven Kupplungsgliedern 12, 14 und einem Blockiermechanismus 16 zum Verhindern eines asynchronen Eingriffs der Kupplungsglieder, die jeweils mit einer Welle 20 bzw. einem Zahnrad 18 verbunden sind. Das Zahnrad 18 und die Welle 20 können ein Teil eines 4 X 3-Doppel- oder Verbundgetriebes sein wie beispielsweise des Doppel- oder Verbundgetriebes der halb-blockierten Zusatzgruppenbauart mit zwölf Vorwärtsgängen, das im US-Patent 4 703 667 gezeigt ist. Darin wäre die Welle 20 eine Getriebehauptwelle, die über eine Erstreckung an ihrem linken Ende in einen Hauptgetriebeabschnitt mit vier Wechselgangverhältnissen angeordnet ist. Das Zahnrad 18 wäre ein in konstantem Eingriff stehendes Zusatzgruppenzahnrad, das in einem Hilfsgetriebeabschnitt angeordnet ist.
Das Kupplungsglied 12 ist mit inneren Keilnuten 22 versehen, die zusammen mit entsprechenden, auf der Welle 20 vorgesehenen äußeren Keilnuten 24 angeordnet sind zum Verbinden des Kupplungsglieds 12 mit der Welle zur Drehung damit. Die zusammenwirkenden Keilnuten gestatten, daß das Kupplungsglied axial relativ zu der Welle 20 frei gleitet. Ein Stoppring 26 sitzt innerhalb einer geeigneten Nut, die in dem Außenumfang der Welle gebildet ist, und ist angeordnet zum Kontakt mit dem Kupplungsglied 12 und zum Beschränken einer Axialbewegung davon nach rechts. Das Kupplungsglied 12 wird elastisch nach rechts gedrückt, und zwar durch eine Feder 28, die an ihrem linken Ende gegen einen Federsitz 30 wirkt, welcher an der Welle 20 in einer Weise ähnlich zu dem Stoppring 26 gesichert wird.
Das Kupplungsglied 12 ist mit äußeren Keilnutzähnen 32 darauf versehen, die geeignet sind, mit inneren Keilnutzähnen 34 des Kupplungsglieds 14 in Eingriff zu kommen, das auf dem Zahnrad 18 vorgesehen ist. Die Zähne 32 des Kupplungsglieds 12 sind verjüngt, wie beispielsweise bei 36, und zwar in einer ähnlichen Weise zu der Vorderkante 38 der Zähne 34 auf dem Zahnrad 18. Die verjüngte konische Oberfläche, die durch die verjüngten Vorderkanten definiert wird, erstreckt sich unter einem Winkel von zwischen 30 und 40º relativ zu der Längsachse der Welle. Der genaue Verjüngungs- oder Abschrägungsgrad und die Vorteile davon sind in Einzelheiten im US-Patent 3 265 173 erklärt.
Eine ausgewählte Anzahl, hier drei, äußerer Keilnutzähne 32 sind teilweise entfernt, um das Vorhandensein eines Blockierrings 40 des Blockiermechanismus zu gestatten, der im weiteren noch beschrieben wird. Solches teilweises Entfernen hinterläßt drei axial gekürzte Blockierzahnteile 42 zum Zusammenwirken mit dem Blockierring 40.
Vorzugsweise sind die Zahnteile in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und umfangsmäßig um gleiche Abstände voneinander entfernt; jedoch kann eine asymmetrische Anordnung, wie sie beispielsweise im US-Patent 4 703 667 gezeigt ist, in einigen Anwendungen verwendet werden. Der Blockierring weist einen nicht verformbaren Ring auf, der das Kupplungsglied 12 umgibt. Der Ring, wie auch bei Bezugnahme auf die Fig. 3-5 ersichtlich ist, umfaßt eine angemessene Anzahl, hierin drei Paar, sich radial nach innen erstreckender Vorsprünge 44, 46, die, wenn sie richtig positioniert sind, mit äußeren Keilnutzähnen 32 zusammenpassen. Jedes Paar Vorsprünge 44, 46 besitzt ein gesamtes Umfangsausmaß, das geringer ist als die entsprechenden Umfangsräume, die durch das teilweise Entfernen der Zahnteile definiert werden, wodurch eine beschränkte Drehung in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung des Blockierrings relativ zu dem Kupplungsglied 12 aus einer in Fig. 3 ersichtlichen Position gestattet, in der die Räume zwischen den Zahnvorsprüngen 44, 46 sich mit den Zahnteilen 42 ausrichten. Ein Kontakt der Seiten oder Flanken irgendeines der Zahnvorsprünge 44, 46 mit den Seiten oder Flanken der Keilnutzähne 32 auf irgendeiner der Seiten des Raums, der durch das teilweise Entfernen des Zahns vorgesehen ist, wird eine solche relative Drehung begrenzen und bewirken, daß sich der Blockierring 40 mit dem Kupplungsglied 12 dreht. Der Raum zwischen jedem nach innen vorspringenden Zahnpaar 44, 46 besitzt einen Zwischenraumabstand, der breiter ist als die entsprechende Umfangsdimension der Zahnteile 42, so daß bei ordnungsgemäßer Ausrichtung bei Synchronisierung (oder genauer, wenn die relativen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten des Blockierrings 40 und des Kupplungsglieds 12 Gleichlauf oder Synchronisierung kreuzen) die Zahnvorsprünge 44, 46 die Zahnteile 42 umgeben werden, und das Kupplungsglied 12 kann sich axial durch den Blockierring bewegen, jedoch nicht darüber hinaus, um einen Eingriff mit Keilnutzähnen 34 auf dem Zahnrad 18 zu bewirken.
Wie in den Fig. 3-5 gesehen werden kann, sind die Stirnflächen der Zahnvorsprünge 44, 46, die als Blockierzähne funktionieren, verjüngt oder mit einer Rampe versehen wie bei 48, 50. Die Stirnfläche jedes Zahnteils 42 ist auch vorzugsweise mit Verjüngungen oder Rampen 52, 54 versehen, die den Verjüngungen oder Rampen 48, 50 entsprechen. Die Winkel 56 der Rampen 48-54 sind so ausgewählt, daß die Blockierzähne 44, 46 und Zahnteile 42 in einer ordnungsgemäß blockierten Position bleiben, wenn der nicht gezeigte, jedoch vorher erwähnte Hauptgetriebeabschnitt am linken Ende der Welle 20 nicht in Neutralstellung ist, sondern unter einer Kontaktierkraft, wie beispielsweise der Kraft, die durch die Feder 28 vorgesehen wird, dazu neigen wird zu bewirken, daß das Blockierglied und das Kupplungsglied eine nicht blockierende Position einnehmen, wenn das Hauptgetriebe in Neutralstellung ist und das Zahnrad 18 für einen Eingriff ausgewählt wurde. Solche Rampen sind in der Technik als Sensorentblockungsrampen bekannt. Rampenwinkel 56 von ungefähr 15º-25º, vorzugsweise 20º, relativ zu einer Ebene P senkrecht zu der Drehachse der Welle 20 haben sich als höchst zufriedenstellend erwiesen für die meisten halb-blockierten Getriebe.
Wie in größerer Einzelheit bei Bezug auf US-Patente 3 921 469 und 3 924 484 beschrieben ist, kann die radial innere Seite des Blockierrings 40 mit einer Nut 58 versehen sein, die einen ringförmigen, elastischen Spaltring 60 aufnimmt. Der Ring 60 besitzt normalerweise einen geringfügig kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Kupplungsgliedzähne 34, so daß, wenn die Teile im zusammengebauten Zustand sind, der Ring 60 leicht nach außen verformt bzw. verzerrt wird, um dadurch einen leichten, aber bestimmten elastischen Klemmdruck gegen die Außenoberflächen der Zähne 34 auszuüben. Insofern als der Ring 60 lose innerhalb die Wände der Nut 58 paßt, bewirkt der elastische Klemmdruck einen signifikanten Widerstand gegenüber axialer Bewegung zwischen dem Blockierring und dem Kupplungsglied, jedoch nur einen unwesentlichen Widerstand gegen eine relative Drehbewegung dazwischen.
Der Blockierring 40 umfaßt einen allgemein nach außen weisenden Kegelstumpf oder eine kegelstumpfförmige Oberfläche 62, die so positioniert ist, daß sie mit einem allgemein nach innen weisenden Kegelstumpf oder einer kegelstumpfförmigen Oberfläche 64 auf der radial inneren Wand des Zahnrads 18 reibungsmäßig in Eingriff kommt, und zwar ansprechend auf eine anfängliche Axialeingriffsbewegung des Zahnrads 18 nach links durch eine Schaltgabel 66, die in Fig. 6 schematisch gezeigt ist. Der axiale Widerstand, der durch den elastischen Ring 60 vorgesehen wird, widersteht einer Axialbewegung des Blockierrings 40 relativ zu dem Kupplungsglied 12, das durch die Feder 28 nach rechts vorgespannt ist. Entsprechend funktioniert der Ring 60 als ein "Vor-Erreger"-Ring (pre-energizer ring), dessen axialer Widerstand einen Anfangseingriff der Oberflächen 62, 64 vor einer axialen Bewegung des Blockierrings 40 bewirkt. Ein Stoppring 68 begrenzt die Bewegung des Blockierrings 40 weg von der kegelstumpfförmigen Oberfläche 64, wenn das Zahnrad 18 nach rechts bewegt wird, um ein Lösen der positiven Kupplungsglieder 12, 14 zu bewirken.
Mit Bezug auf die Fig. 2-5 und unter der Annahme, daß die Welle 20, das Kupplungsglied 12 und das Zahnrad 18 normalerweise in einer Uhrzeigerrichtung (Pfeil A in Fig. 2) betrieben werden, ist es deutlich, daß ein nicht-synchroner Zustand, in dem das Zahnrad 18 sich schneller dreht als die Welle 20 und das Kupplungsglied 12, bewirken wird, daß der Blockierring 14 dazu neigt, sich um einen begrenzten Betrag relativ zu dem Kupplungsglied 12 in Uhrzeigerrichtung zu drehen, sobald die kegelstumpfförmigen Oberflächen 62, 64 in Eingriff kommen. Ein anfänglicher Eingriff der Oberflächen 62, 64 erfolgt natürlich ansprechend auf eine anfängliche Eingriffsbewegung des Zahnrads 18 durch die Schaltgabel 66 und den axialen Widerstand, der durch den "Vor-Erreger"-Ring 60 vorgesehen wird. Die Schaltgabel 66 ist mit einem Kolben 70 in einem Betätiger 72 verbunden, der Druckluft empfängt zur Bewegung des Kolbens hin und her auf bekannte Weise. Das an den Blockierring 40 durch den anfänglichen Reibungseingriff auf Grund des Widerstands des "vor- erregten" Rings angelegte Drehmoment ist, obwohl es relativ klein ist, ausreichend, um die Rampen 48 der Blockierzahnvorsprünge 44 mit den Rampen 52 der Zahnteile 42 vor dem axialen Eingriff der Rampen axial auszurichten. Sobald die Rampen in Eingriff kommen, wird die Kraft der Feder 28 durch die Zwischenfläche bzw. den Übergang der Rampen übertragen, um die Eingriffskraft der Reibungsoberflächen zu erhöhen und dadurch das Blockierdrehmoment proportional zu erhöhen, das dem Entblockungsdrehmoment entgegensteht, das durch die Rampen 48, 52 vorgesehen wird. Theoretisch ist dieses erhöhte Blockierdrehmoment ausreichend, um einen blockierenden Eingriff der Rampen beizubehalten, bis die Kupplungsglieder 12, 14 Gleichlauf erreicht haben bzw. Synchronisation kreuzen.
Die Blockierkupplungsanordnung 10, soweit sie bisher beschrieben wurde, ist in der Technik allgemein bekannt, wie unter Bezugnahme auf das vorgenannte US-Patent 4 703 667 ersichtlich ist. Solche Anordnungen sehen eine Vorauswahl der Gangverhältnise bzw. Verhältniszahnräder vor, mit denen sie assoziiert sind, zum Beispiel können die Betätigungsmittel (Schaltgabel 66 und Kolben 72) zum Ineingriffbringen der positiven Kupplungsglieder 12, 14 vollständig versetzt sein vor einer Synchronisierung dazwischen. Der tatsächliche Eingriff der positiven Kupplungsglieder erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt, wie bei Bezug auf die Fig. 6A-6C gesehen werden kann. Kurz gesagt, zeigt Fig. 6A eine neutrale oder nicht ausgewählte Position der Blockierkupplungsanordnung 10. Fig. 6B zeigt eine vorgewählte Position, wobei Zahnrad 18, Kupplungglied 14, Schaltgabel 60 und Kolben 72 vollständig versetzt sind, wobei das Kupplungsglied 12 nach links gegen die vorspannkraft der Feder 28 bewegt ist und wobei die kegelstumpfförmigen Oberflächen 62, 64 reibungsmäßig in Eingriff stehen, um eine Blockierposition beizubehalten, bis Gleichlauf oder Synchronisation erreicht bzw. gekreuzt wird auf Grund manueller oder automatischer Mittel, die die Drehzahl der Geschwindigkeit der Welle 20 und/oder des Zahnrads 18 ändern. Solche Mittel sind bekannt und sind typischerweise vorgesehen durch Veränderungen in der Drehzahl oder Geschwindigkeit eines Primärbewegers, der mit der Welle 20 verbunden ist und/oder durch die Verwendung einer Bremse, die mit der Welle oder dem Zahnrad verbunden ist. Wenn ein Entblockungszustand auftritt, wenn die Kupplungsglieder Gleichlauf bzw. Synchronisation erreichen bzw. kreuzen, bewegt oder schießt die Vorspannkraft der Feder 28 das Kupplungsglied 12 in Eingriff mit dem Kupplungsglied 14. Da relativ hohe Synchronisationskreuzraten oft auftreten, muß die Feder 28 ausreichend Kraft vorsehen, um das Kupplungsglied 12 schnell in Eingriff zu bewegen. Fig. 6C zeigt die Eingriffsposition der positiven Kupplungsglieder.
Nunmehr mit Bezug auf die vorliegende Erfindung ist bekannt, wie im US-Patent 4 703 667 gezeigt ist, daß Blockierkupplungsanordnungen, die Entblockungsrampen, wie beispielsweise Rampen 48-54, besitzen, unter gewissen dynamischen Betriebsbedingungen eine Neigung haben, vorzeitig zu entblocken oder zu krachen und einen nicht synchronen Eingriff der Kupplungsglieder 12, 14 zu gestatten. Im weiteren ist eine verbesserte Reibmaterialkonfiguration offenbart an der Zwischenfläche bzw. dem Übergang der kegelstumpfförmigen Oberflächen, die bis heute vollständig das Problem vorzeitigen Entblockens oder Krachens gelöst hat, während sie gleichzeitig die Herstellungskosten der Blockierkupplungsanordnungen wesentlich vermindert.
Gemäß Fig. 7-10 ist darin ein Kohlenstoff/Kohlenstoffkomposit-Reibmaterial 74 gezeigt. Die Fig. 9 und 10 sind vergrößerte photographische Draufsichten des Materials 74. Fig. 9 zeigt die Textur und Porosität der Reibungsoberfläche des Materials vor dem Testen und Fig. 10 die Reibungsoberfläche nach einem krachfreien Test entsprechend mehr als drei Lebensdauerzyklen der Blockierkupplungsanordnung 10. Die Fig. 7 und 8 zeigen die Konfiguration und die Position des Materials auf der Blockierringoberfläche 62.
Das Material 74 ist vorzugsweise aus einem Carbon- oder Kohlefasersubstrat mit einer einzigen gewobenen Lage oder Schicht gebildet, das durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozeß (CVD) mit Pyrolytischem Kohlenstoff überzogen oder infiltriert wurde. Die Fasern können aus vielen bekannten Materialien gebildet werden, aber sie werden vorzugsweise aus carbonisierter Kunstseide oder Polyacrylnitrit (PAN) gebildet. Theoretisch können Kohlenstoff- oder Kohlefäden anstatt von Fasern verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Webung des Stoffes ausreichend elastisch ist in Richtungen senkrecht zu der Ebene des Gewebes, d. h. einer Richtung senkrecht zu der Reibungsebene des Materials, wenn es in Verwendung ist. Annehmbare CVD-Verfahren werden in den US-Patenten 4 291 794 und 3 944 686 gelehrt; das erste Patent lehrt einen Chargenprozeß und das zweite einen kontinuierlichen Prozeß. Das Kompositmaterial bzw. der Verbundwerkstoff kann eine Dichte besitzen im Bereich von 0,3 bis 1,3 g/cm³ nach dem CVD-Prozeß und vor dem Verbinden mit der Oberfläche 62. Jedoch kann das Material am unteren Ende dieses Bereichs eine höhere Abnutzungsrate besitzen. Material am oberen Ende des Bereichs ist zur Zeit teuerer und kann dazu neigen, für optimale Leistung zu starr zu sein. Entsprechend wird ein Bereich von 0,7 bis 1,1 g/cm³ als etwas optimaler angesehen.
Ausgezeichnete Leistung wurde erreicht mit Materialien, bei denen eine Dichte von 0,8 bis 1,0 g/cm³ vorgegeben war und die im Test gemessen wurden, daß sie eine Dichte von ungefähr 0,84 g/cm³ besaßen.
Herstellungvorgaben für dieses Material erfordern, daß die Fasern auf PAN-Fäden basieren, die zerteilt wurden und in Garn gesponnen wurden; das Garngewicht 2/10 nach der Worsted- oder Kammgarn-Zählung ist; die Gewebewebart 2 X 2 gleich gespannte Korbquadratwebart bzw. Würfelbindung ist mit 18 bis 22 Paaren pro Zoll (2,54 cm), die Dichte 0,8 bis 1,1 g/cm³ ist durch CVD-Verdichtung bei Temperaturen, die 1200 ºC nicht überschreiten; und daß die Dicke 0,045 Zoll (0,11 cm) ist. Die Textur des verdichteten oder endbehandelten Materials ist für das bloße Auge im wesentlichen die gleiche wie das Substrat des gewebten Gewebes. Das endbehandelte Material ist relativ flexibel; es ist relativ elastisch in der vorgenannten Richtung senkrecht zu der Ebene des Gewebes, wobei diese Elastizität der Verwendung gesponnener Garne, der Webart und der Dichte zugeschrieben wird; und es ist offenporig, wobei viele der Poren durchgehende Poren sind. Kohlenstoff/Kohlenstoffkompositmaterialien, die aus Substraten bestehen, welche aus gewebten Kohlefasergarnen (insbesondere Garnen mit verdrehten oder verdrillten Kohlefasern) gebildet wurden und mittels eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses mit pyrolytischen Kohlenstoff überzogen oder auf Dichten von weniger als 1,3 g/cm³ verdichtet wurden, haben eine größere Resistenz oder Widerstandsfähigkeit in allen Richtungen gezeigt als es Komposit- oder Verbund-materialien tun, die aus Subtraten bestehen, die aus vergleichbaren Mengen gewebter Kohlefaserstränge gebildet wurden, welche mittels eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses mit Kohlenstoff überzogen oder auf vergleichbare Dichten verdichtet wurden.
Ein minimaler Abfall von Material 74 wird erreicht durch Schneiden des Materials in polygonale Segmente 76, die umfangsmäßig beabstandet sein können, wenn sie an einem Tragglied, wie beispielsweise der Oberfläche 62 des Blockierrings 40 befestigt oder damit verbunden werden. Alternativ dazu können die Segmente aneinander anstoßen, um eine kontinuierliche Reibungsringoberfläche zu definieren. Wenn die Segmente umfangsmäßig beabstandet sind, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, können die Vorderkanten 76a der Segmente schräg zu der Drehrichtung der Reibungsoberfläche 76c, die durch die Segmente 76 definiert ist, angeordnet sein, um ein schnelles Abwischen von überschüssigem Öl (Kühlflüssigkeit) von den zusammenpassenden Oberflächen 64 zu erleichtern, wodurch der maximale oder Soll-Reibungskoeffizient an der Zwischenfläche oder dem Übergang der Reibmaterialoberfläche 76c und der Oberfläche 64 erreicht wird, ansprechend auf einen anfänglichen Eingriff auf Grund der Kraft, die durch den "Vor-Erreger"-Ring 60 übertragen wird. Die Segmente werden vorzugsweise in Parallelogrammme geschnitten und an die Blockierringoberfläche 62 geklebt bzw. damit verbunden, wobei die Seiten 76b des Materials allgemein parallel zu den Ebenen orientiert sind, die sich senkrecht zu der Drehachse erstrecken; jedoch wird angenommen, daß eine solche Orientierung nicht kritisch ist. Ferner werden drei im wesentlichen gleich beabstandete Segmente bevorzugt.
Ausgezeichnete Verbindungen des Materials mit der Oberfläche 62 wurden erreicht unter Verwendung nitrilphenolischer Haft- oder Klebstoffe, die in der Technik bekannt sind. Solche Klebstoffe widerstehen leicht den Betriebstemperaturspitzen im Bereich von 400 ºF (200 ºC) für kurze Zeitperioden. Für Anwendungen, die höhere Temperaturen erzeugen, werden andere Verbindungs- oder Klebematerialien vorgeschlagen, wie es beispielsweise in der U.S. Patentanmeldung Serial Nr. 150,355, eingereicht am 29. Januar 1988, gezeigt ist.
Ein die Elastizität erhaltendes Verbinden des Kompositmaterials mit dem Blockierring 40 mit Nitrilphenol wurde durch das folgende Verfahren erreicht:
1. Schneiden des Materials in gut handhabbare Größen,
2. Erhitzen des Materials auf ungefähr 150º-180ºF (65º- 85ºC),
3. Walzen des Klebstoffes in Blatt- oder Flächenelementform auf das Material,
4. Abscheren oder Schneiden des Materials mit dem Klebstoff in Segmente mit der gewünschten Form und Größe,
5. Plazieren des Blockierrings in einer Halterung, Positionieren der Klebstoffseite der Segmente auf der Tragoberfläche 62, und Anlegen eines relativ gleichmäßig verteilten Drucks von ungefähr 200 engl. Pfund pro Quadratzoll (14 kg/cm²) an die Reibungsseite des Materials,
6. Erhitzen der Halterung und des Materials darin in einem Konvektionsofen für ungefähr 40 Minuten, während die Kraft im wesentlichen unverändert beibehalten wird.
Das in dem obigen Beispiel verwendete Klebemittel war B. F. Goodrich Plastilock 601 mit einer Dicke von 8 mil (0,2 mm).
Um einen Verlust der Elastizität des Materials zu verhindern, ist es wichtig, während des Verbindungsprozesses ein Eindringen (Penetration) des Klebstoffs in die offene Porosität des Materials zu begrenzen und den während der Wärmebehandlung bzw. des Wärmeaushärtens des Klebstoffs an das Material angelegten Druck zu begrenzen. Wie man sich herleiten kann, wird das Eindringen des Klebstoffs leicht durch genaue Steuerung der Klebstoffmenge und/oder durch genaue Steuerung des an das Material angelegten Drucks gesteuert. Übermäßige Verbindungs- oder Klebedrücke neigen dazu, selbst korrekt angewandte Klebstoffmengen tief in die Poren des Materials zu extrudieren. Ferner neigen übermäßige Verbindungsdrücke dazu, das Material zu quetschen oder zu kompaktieren bzw. zu verdichten, wodurch sich ein Verlust an Elastizität und Porosität ergibt. Entsprechend werden richtige Verbindugs- oder Klebedrücke leicht bestimmt, wenn man berücksichtigt, daß der Druck ausreichend sein sollte, um das Material während des Verbindungsprozesses festzuhalten, ohne das Material übermäßig zu kompaktieren bzw. zu verdichten oder zu quetschen bzw. zerdrücken.
Weiterhin mit Bezug auf Porosität und Elastizität liefern die gesponnen Garne und die Webart der Garne ein offenporiges Substrat oder Gewebe, das relativ elastisch ist in der Richtung senkrecht zu der Webung des Gewebes. Ein wesentlicher Teil der Porosität und Elastizität des Substrats wird von dem Komposit- oder Verbundmaterial beibehalten durch Begrenzen der CVD-Beschichtung bzw. des CVD-Überzugs oder der Verdichtung des Substrats auf den Bereich von 0,3 bis 1,3 g/cm³ (vorzugsweise auf 0,8 bis 1,1 g/cm³). Ferner wird die Offenporigkeit und die Elastizität des Kompositmaterials im Bereich seiner Reibungsoberfläche während des Verbindungsprozesses beibehalten durch Verwendung von Klebstoffvolumen, die geringer sind als das Volumen der offenen Poren des Kompositmaterials und durch Begrenzen der Größe des Drucks beim Verbindungsprozess, um ein Quetschen des Kompositmaterials zu minimieren und um das Volumen der offenen Poren des Kompositmaterials größer zu halten als das Volumen des Klebstoffs, wodurch das Volumen der offenen Poren benachbart zu der Verbindungs- oder Klebeseite des Kompositmaterials den Klebstoff aufnimmt, während die Poren benachbart zu der Reibungsseite frei von Klebstoff bleiben. Verbindungs- oder Klebedrücke von weniger als 250 engl. Pfund pro Quadratzoll (17,6 kg/cm²) werden für die meisten Kohlenstoff/Kohlenstoffkompositmaterialien, die für die Verwendung mit der Blockierkupplungsanordnung 10 annehmbar sind, als angemessen angesehen.
Es wurde entdeckt, daß ein vorzeitiges Entblocken wirksam beseitigt werden kann durch Steuern der spezifischen Belastung oder Einheitsbelastung der Reibungsoberfläche 76c des Materials 74 innerhalb eines Bereichs von 150-200 engl. Pfund pro Quadratzoll (10-20 kg/cm²). Da eine solche spezifische Belastung in einer Anordnung wie beispielsweise der Blockierkupplungsanordnung 10 in erster Linie eine Funktion des Vorspannkraft der Feder 28 ist und da die Kraft der Feder 28 innerhalb eines ziemlich engen Bereichs sein muß, wurde die spezifische Belastung gesteuert durch Anpassen bzw. Abstimmen oder Konfigurieren des Oberflächengebiets 76c des Materials 74. Beispielsweise wurde krachfreier Betrieb in Tests der Blockierkupplungsanordnung 10 erreicht unter Verwendung von drei Segmenten 76 in Parallelogrammform mit einem kombinierten Reibungsoberflächengebiet von 1,17 Quadratzoll (7,55 cm²). In diesem Beispiel besitzen die Kegeloberflächen 62, 64 einen Winkel von ungefähr 10º und einen mittleren Durchmesser von ungefähr 4,35 Zoll (11 cm), die Rampen 48-54 besitzen einen Winkel von ungefähr 20º, und die Feder 28 sieht eine Vorspannkraft von ungefähr 50 engl. Pfund (27 kg) vor, wenn sie wie in Figur 6B zusammengedrückt ist.
In der Blockierkupplungsanordnung dieses Beispiels bilden die kombinierten Reibungsoberflächengebiete 76c eine 83%-ige Verminderung des Gesamtreibungsmaterialoberflächengebiets relativ zu der Blockierkupplungsanordnung, die in U.S. Patent 4,703,667 gezeigt ist, und der Druck an der Zwischenfläche bzw. dem Übergang der kombinierten Oberflächengebiete 76c ist 210 engl. Pfund pro Quadratzoll (14,8 kg/cm²).

Claims

1. Kupplungsanordnung (10), die folgendes umfaßt:

eine erste kegelstumpfförmige Oberfläche (64), die nicht drehbar relativ zu einer ersten Klauenkupplung (14) angeordnet ist;

Blockiermittel (40), die mit einem begrenzten Grad der Drehbarkeit relativ zu einer zweiten Klauenkupplung (12) angebracht sind;

eine zweite kegelstumpfförmige Oberfläche (62), die reibungsmäßig in Eingriff bringbar mit der ersten Oberfläche (64) ist, und zwar ansprechend auf anfängliche, axiale eingreifende Bewegung der Klauenkupplungen (12, 14) durch Betätigungsmittel (72);

ein flüssiges Kühlmittel, das in Verbindung steht mit den Reibungsoberflächen (64, 76c), wobei die Blockiermittel (40) Mittel aufweisen, welche das Blockieren eines asynchronen Eingriffs der Klauenkupplungen bewirken;

dadurch gekennzeichnet, daß:

mindestens drei Reibmaterialsegmente (76) vorgesehen sind, die mit mindestens einer der kegelstumpfförmigen Oberflächen (62, 64) verbunden sind, wobei ihre vorderen und hinteren Kanten mit im wesentlichen gleichen umfangsmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind und wobei die Segmente aus einem offenporigen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial (74) gebildet sind, das ein Substrat aufweist, das definiert wird durch Kohlenstoffasergarn, welches in eine einzige Schicht oder Lage eines Gewebesubstrats gewebt wird und mit Kohlenstoff überzogen wird, der durch chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird, und zwar auf eine Dichte von 0,3 bis 1,3 g/cm³, wobei das faserartige Material und die Webung gebildet sind, um das Substrat mit einer Elastizität in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Webung zu versehen, und zwar vor und nach der chemischen Dampfabscheidung, wobei die Elastizität größer ist als die Elastizität einer vergleichbaren Webung, die aus Kohlenstoff-Fasersträngen gebildet ist und eine vergleichbare Menge Kohlenstoff besitzt, der durch chemische Verdampfung abgeschieden ist, und wobei das Verbundmaterial mit dem einen Glied in einer Art und Weise verbunden ist, die im wesentlichen die Elastizität erhält.

2. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Verbundmaterial (74) mit der Oberfläche (62, 64) durch einen Kleber verbunden ist.

3. Kupplungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das Verbundmaterial (74) durch Druck gegen die Oberfläche (62, 64) gehalten wird, während der Kleber aushärtet, wobei der Druck im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche (76c) des Verbundmaterials (74) verteilt ist und eine begrenzte Größe besitzt, um das Zerdrücken und Kompaktieren des Verbundmaterials (74) zu minimieren.

4. Kupplugnsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Garne aus gedrehten oder gezwirnten Kohlenstoff-Fasern gebildet sind.

5. Kupplugnsanordnung nach Anspruch 4, wobei das Verbundmaterial (74) eine Dichte von 0,7 bis 1,1 g/cm³ besitzt.

6. Kupplungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der Kleber durch einen Wärmevorgang ausgehärtet wird, wobei ein

Druck von weniger als 1825 kPa (250 engl. Pfund pro Quadratzoll) über die Oberfläche (76c) des Verbundmaterials während des Wärmevorgangs angelegt wird.

7. Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Eingriffsdruck auf die Reiboberfläche der Segmente (76) 1120 bis 2170 kPa (150-300 engl. Pfund pro Quadratzoll) beträgt.

8. Ein Verfahren zum Vorsehen eines starren Glieds (40) für eine Kupplungsanordnung gemäß Anspruch 1, mit einer elastischen Reibungsoberfläche (76c), die definiert wird durch einen Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundmaterial (74), das ein Substrat aufweist, das definiert wird durch ein kohlenstoffaserartiges Material, das in eine einzige Schicht oder Lage eines Gewebes gewebt ist, die mit Kohlenstoff überzogen ist, der durch chemische Dampfabscheidung auf dem faserartigen Material abgeschieden wurde; wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Bilden eines faserartigen Materials von Garnen, die durch Kohlenstoff-Fasern definiert sind;

Weben der Garne in ein offenporiges Gewebe mit einer Elastizität in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Gewebes, wobei die Elastizität größer ist als die Elastizität einer vergleichbaren Webung, die aus kohlenstoff-faserartigen Strängen gebildet ist;

Begrenzen des Kohlenstoffüberzugs auf den Fasern auf eine Verbunddichte von 0,8 bis 1,1 g/cm³ zum Beibehalten der Offenporigkeit und Elastizität des Gewebes;

Schneiden des Verbundmaterials in Segmente (76); sandwichartiges Einschließen eines Klebers zwischen dem Glied (40) und mindestens drei umfangsmäßig mit Abstand voneinader angeordneten Segmente (76), wobei das Volumen des Klebers geringer ist das offenporige Volumen jedes assoziierten Segments;

Anlegen eines im wesentlichen gleichmäßig verteilten Drucks auf die Reiboberfläche (76c) zum Bewirken des Extrudierens des assoziierten Klebers in die offenen Poren der Segmente (76);

Begrenzen der Größe des Drucks auf ein Maximum von 1825 kPa (250 engl. Pfund pro Quadratzoll) zum Minimieren des Zerdrückens des Verbundmaterials und zum Beibehalten des offenporigen Volumens jedes Segments (76), das größer ist als das Volumen des assoziierten Klebers;

Anlegen von Wärme an die Segmente (76), den Kleber und das Glied (40) zum Bewirken des Extrudierens des Klebers in die offenen Poren, die benachbart dazu liegen und zum Aushärten des Klebers; und

Beibehalten des begrenzten Drucks, während die Wärme angelegt wird.