DE19817611B4

DE19817611B4 - Reibbelag für Drehmomentübertragungseinrichtungen

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Publication number: DE19817611B4
Application number: DE19817611A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Prof. Dr. Beier; Rainer Dipl.-Ing. Liebald; F. Dipl.-Ing. Nagler
Original assignee: Schott AG; ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2018-04-22
Also published as: DE19817611A1; GB2336595A; GB2336595B; BR9902956B1; FR2777612A1; US6316086B1; GB9908479D0; BR9902956A; FR2777612B1

Abstract

Reibbelag für Drehmomentübertragungseinrichtungen, insbesondere für Reibungskupplungen, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern, einem oder mehreren keramischen, glasigen oder metallischen Füllstoffen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag für Drehmomentübertragungseinrichtungen, insbesondere für Reibungskupplungen, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff.
Drehmomentübertragungseinrichtungen, z. B. Reibungskupplungen, sollen möglichst hohe Drehmomentübertragungsfähigkeiten aufweisen.
Wesentliche Kriterien für die Beurteilung von Reibbelägen für Kupplungen, insbesondere für Kraftfahrzeugkupplungen, sind

– der Reibwert oder Reibungskoeffizient μ,
– der Verschleiß,
– die mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit
– und die Berstdrehzahl,
– die Neigung zu selbsterregten Reibschwingungen ("Rupfen" oder "Ruckeln") und Reibgeräuschen,
– die Temperaturbelastbarkeit.

Dies bedeutet im einzelnen:
Der Reibwert μ soll möglichst hoch sein und möglichst wenig von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen abhängen. Da die übertragbaren Kräfte dem Produkt aus Reibwert und Anpreßdruck (μ × F_A) proportional sind, kann eine Kupplung bei Beibehaltung der Anpreßkraft um so kleiner ausgelegt werden, je höher der Reibwert μ ist. Der Reibwert des Reibbelags ist abhängig vom Gegenpartner. Übliche Gegenpartner bei Kraftfahrzeugkupplungen sind Grauguß oder Stahl. Die derzeit für Personenkraftwagenkupplungen verwendeten Reibbeläge weisen im praktischen Fahrbetrieb gegen Grauguß μ-Werte von ca. 0,2–0,4 auf. Bei der Auslegung der Kupplung wird von einem Auslegungswert von 0,25 ausgegangen, was durch Sicherheitsfaktoren kompensiert wird. Der Reibwert soll in Bezug auf Veränderungen in Temperatur, Feuchte, Anpreßdruck und Winkelgeschwindigkeit möglichst konstant sein.
Der Verschleiß der Reibbeläge soll gering sein. Als Richtwert für die Lebensdauer der Beläge bei sachgerechter Bedienung der Kupplung dient die Fahr leistung des Fahrzeuges. Selbstverständlich darf auch der Gegenpartner des Reibbelags durch den Belag nicht zu sehr verschlissen werden. Ein Maß für den Verschleiß ist die Verschleißrate.
Eine hohe mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit wird insbesondere beim Montieren der Beläge mittels Vernieten gefordert. Die Berstdrehzahl soll das 1,7–2-fache der maximalen Motordrehzahl betragen, d. h. üblicherweise Werte von 15.000/min, da solche hohen Umdrehungszahlen der Kupplungsscheibe bei Fehlern beim Herunterschalten, beispielsweise beim Schalten vom 5. in den 1. Gang beim PKW, auftreten können.
Rupfen gehört zu den schwersten kupplungsbedingten Qualitätsproblemen. Von Rupfen spricht man, wenn die erste Eigenfrequenz des Antriebsstranges so stark angeregt wird, daß Längsschwingungen des Fahrzeuges fühlbar werden. Das Rupfen ist nicht leicht quantifizierbar, es ist aber für den subjektiven Eindruck des Fahrers von großer Wichtigkeit. Die Intensität eines auftretenden Rupfens ist nicht alleine vom Belag abhängig, sondern hängt auch von der konstruktiven Auslegung des Gesamtsystems "Kupplung" und seinen Federungselementen ab, wobei das belagbedingte Rupfen einen wesentlichen Anteil ausmacht. Bei Kupplungen, die nicht oder nur begrenzt zum Rupfen neigen, spricht man von gutem Komfortverhalten.
Reibbeläge von Kupplungen müssen in der Praxis erhebliche thermische Belastungen schadlos, d. h. auch ohne Verzug überstehen. Ziel ist es, die Temperaturgrenze, bei der Fading auftritt, weiter nach oben zu verschieben.
Ein weiterer Aspekt, die Umweltfreundlichkeit der verwendeten Materialien, kann zumindest insofern als bereits gelöst angesehen werden, als auf die Verwendung des früher für Kupplungsbeläge üblichen Asbests verzichtet werden kann.
Die derzeitig marktüblichen Reibbeläge für Kraftfahrzeugkupplungen sind organische Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus Garnen, die in einem Reibzement aus Harzen, Kautschuken und Füllstoffen wie Ruß, Graphit und Kaolin eingebettet sind. Die Garne bestehen bevorzugt aus Polyacrylnitril-, Aramid-, Zellstoff-, Glas- und anderen Fasern und Messing- oder Kupferdraht. Solche Reibbeläge zeigen ein recht gutes Komfortverhalten, weisen aber aufgrund ihrer organischen Bestandteile, insbesondere der organischen Matrix, eine unbefriedigende Temperaturbelastbarkeit auf, so daß bei Überschreiten gewis ser Temperaturgrenzen während der Kuppelvorgänge der μ-Wert sinkt, dadurch zu einer starken Komfortminderung durch „Belagrupfen" und letztlich zum Fading (Durchrutschen der Kupplung) führt. Bei weiterer Belastung führt dies zu Eigenzerstörung des Reibbelages und zum vollkommenen Ausfall der Kupplungsfunktion.
Für einige Nutzfahrzeuge, z. B. Müllfahrzeuge, finden gesinterte Metallbeläge mit dem Grundwerkstoff Kupfer Verwendung. Sinterbeläge zeichnen sich durch einen hohen Reibungskoeffizienten (ca. 0,3–0,6) und geringen Verschleiß aus; sie verursachen jedoch einen erheblichen Verschleiß der Gegenreibflächen. Bezüglich Dosierbarkeit, Rupfen und Reibgeräuschen sind Metallbeläge den organischen Belägen unterlegen.

Aus DE 31 37 273 C2 ist ein gesinterter Reibwerkstoff auf Eisenbasis bekannt, der bis zu 30 Gew.-% glaskeramisches Material enthält.

Aus EP 0 482 210 B1 ist ein Reibbelag bekannt, dessen Verbundwerkstoff vorzugsweise aus glasimprägniertem Kohlenstoff besteht.

Aus EP 0 469 464 B1 ist ein Verbundwerkstoff für Reibbeläge bekannt, bei dem die Bindemittelmatrix hergestellt ist aus einer Mischung aus SiO₂ und zumindest teilweise wasserlöslichen Silicaten, z. B. Alkalisilicaten (Wasserglas), die in Gegenwart von Wasser ausgehärtet ist. Solch ein Werkstoff wird eine mangelnde hydolytische Beständigkeit aufweisen, was sich z. B. beim Auftreten von Kondenswasser bei Taupunktunterschreitungen negativ auswirkt.

Aus US 4,341,840 sind graphitfaserverstärkte Gläser für Lager, Dichtungen und Bremsen bekannt. Diese Verbundwerkstoffe werden nicht ausreichend temperaturbeständig sein und ein unzureichendes Komfortverhalten aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reibbelag für Reibungskupplungen, insbesondere Kraftfahrzeugkupplungen, zu finden, der ein verbessertes Eigenschaftsprofil, dabei vor allem eine erhöhte Temperaturbelastbarkeit und damit verbunden bei vorgegebener Reibbelagfläche die Fähigkeit zur Übertragung eines größeren Drehmomentes besitzt.

Diese Aufgabe wird durch den anorganischen Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß ein rein anorganischer Verbundwerkstoff aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern und einem oder mehreren keramischen, glasigen oder metalli schen Füllstoffen herkömmliche Reibbeläge für Kupplungen ersetzen kann und ihnen sogar in einigen Eigenschaften überlegen ist.

Die Herstellung von faserverstärktem Glas bzw. faserverstärkter Glaskeramik ist wohlbekannt und in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, von denen exemplarisch nur die US-Patente US 4,610,917 , US 4,626,515 und US 5,079,196 aufgeführt werden.

Auch die Zugabe sogenannter Füll- und Funktionsstoffe, im folgenden einfach Füllstoffe genannt, zu Verbundwerkstoffen ist z. B. aus EP 0 469 464 B1 bekannt. Diese Füllstoffe dienen als Gleit- und Schmierstoffe, Reibwertmodifikatoren oder als reine Füllstoffe und werden im Herstellprozeß eingearbeitet, z. B. dem Slurry zugesetzt.

Prinzipiell kann jedes Glas mit keramischen Fasern verstärkt werden. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung innerer Spannungen ist es sinnvoll, eine gewisse Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzustreben. Da die häufig verwendeten Verstärkungsfasern Siliciumcarbidfasern und Kohlenstoffasern kleine Wärmedehnungen aufweisen, werden Gläser als Matrix bevorzugt, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von weniger als 10 × 10^-6/K besitzen.

Die maximal zulässige Temperatur für einen solchen verstärkten Verbundwerkstoff hängt von seinen konkreten Inhaltsstoffen sowie von seinem Gefüge ab. Die Glasübergangstemperatur T_g des als Matrix verwendeten Glases stellt einen Orientierungswert für die maximale Dauereinsatztemperatur dar. Durch die Faserverstärkung kann jedoch die Temperaturbelastbarkeit erhöht werden, so daß faserverstärkte Gläser auch noch erfolgreich Temperaturen oberhalb von T_g der Glasmatrix standhalten können.

Als besonders geeignete Matrixgläser haben sich borsäurehaltige Gläser erwiesen. Borosilicatgläser, deren bekannteste Vertreter unter den Bezeichnungen Duran^® und Pyrex^® im Handel sind, haben einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300, und zwar im Bereich von ca. 3 bis 5 × 10^-6/K, und einen T_g im Bereich von ca. 500 °C bis 600 °C.

Diese Gläser haben i. a. eine ungefähre Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von 70–80 SiO₂, 7–13 B₂O₃, 4–8 Alkalioxide und 2–7 Al₂O₃.

Auch Aluminosilicatgläser, insbesondere Gläser mit einer ungefähren Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von 50–55 SiO₂, 8–12 B₂O₃, 10–20 Erdalkalioxide und 20–25 Al₂O₃ sind als Matrixgläser gut geeignet, da sie hoch temperaturbeständig sind. Sie besitzen einen T_g im Bereich von etwa 650 °C bis 750 °C.

Aber auch Alkali-Erdalkali-Silicatgläser (z. B. ungefähre Zusammensetzung in Gew.-% 74 SiO₂ , 16 Na₂O, 10 CaO) mit einem T_g von ca. 540 °C und einem α_20/300 von ca. 9 × 10^-6/K können erfolgreich als Glasmatrix des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes dienen.

Ebenfalls als Glasmatrix geeignet ist Basaltglas.

Weiter sind auch Gläser, wie sie für Fernsehröhren, und zwar für die Röhrenteile Trichter und Schirm, verwendet werden, als Glasmatrix geeignet. Schirmgläser sind im allgemeinen Alkalierdalkalisilicatgläser mit hohen Anteilen an SrO und/oder BaO. Trichtergläser sind meist Gläser derselben Glasart, die zusätzlich noch geringe Mengen PbO enthalten. Dagegen sind Gläser, wie sie für den Hals von Fernsehröhren verwendet werden, sogenannte Halsgläser, hoch PbO-haltig und damit wegen der gewünschten Umweltfreundlichkeit der Materialien hier weniger geeignet.

Glaskeramiken besitzen als Matrix eine noch höhere Temperaturbelastbarkeit. Glaskeramik und ihre Herstellung durch gesteuerte Kristallisation sind seit Jahrzehnten bekannt.

Für die Glaskeramikmatrix geeignete Stoffsysteme sind z. B. Li₂O - Al₂O₃ - SiO₂, MgO - Al₂O₃ - SiO₂, CaO - Al₂O₃ - SiO₂ oder MgO - CaO - BaO - Al₂O₃ - SiO₂, die durch Zusätze in vielfältiger und bekannter Weise modifiziert werden können.

Die Glaskeramikmatrix kann auch aus einem Li₂O - Al₂O₃ - SiO₂ -kristallhaltigen Boratglas oder anderen kristallisierenden Glasloten bestehen. Solche Komposite haben den Vorteil, daß sie sich bei relativ niedrigen Temperaturen verarbeiten lassen, nach der Kristallisation aber höheren Temperaturen standhalten.

Verstärkungsfasern für Glas und Glaskeramik sind ebenfalls wohlbekannt, und für den vorliegenden Zweck sind alle anorganischen Verstärkungsfasern geeignet. Hauptsächlich Verwendung finden Fasern aus Kohlenstoff SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Mullit, hier besonders vom Si-reicheren 3 Al₂O₃ × 2 SiO₂, Calciumsilicaten (x CaO∙y SiO₂), Kieselglas, hoch SiO₂-haltigen Gläsern, d. h. Gläsern mit einen SiO₂-Gehalt von mehr als 80 Gew.-%, A-, C-, S- oder E-Glas und/oder Steinwollen, beispielsweise Basaltwolle, als Hauptkomponenten, ggf. mit Zusätzen von Si, Ti, Zr, Al, O, C, N, z. B. Fasern des Sialon-Typs (Si, Al, O, N).

Bei E-Glas handelt es sich um ein Calciumaluminoborosilicatglas, das weitgehend alkalifrei ist. S-Glas ist ein Magnesiumaluminosilicatglas, C-Glas ein Natriumcalciumborosilicatglas und A- Glas ein Natriumcalciumsilicatglas.

Besonders geeignet sind Kohlenstoffasern und Siliciumcarbidfasern. Ein hoher Faseranteil an SiC-Fasern senkt den Verschleiß. Ein hoher Faseranteil an C-Fasern verbilligt den Verbundwerkstoff.

Besonders vorteilhaft sind Verbundwerkstoffe, die sowohl SiC- als auch C-Fasern enthalten, da der Verschleiß gesenkt und mit den preiswerten C-Fasern eine Abstimmung des Reibverhaltens erfolgen kann.

Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis SiC/C von ungefähr 1 zu 4. Durch die Senkung des SiC-Anteils auf 1/5 können die Herstellungskosten des Verbundwerkstoffs enorm gesenkt werden, ohne daß Verschlechterungen von Eigenschaften in Kauf genommen werden müßten.

Die Verstärkungsfasern können zur Verbesserung der Reib- und Komforteigenschaften auch mit einer, meist dünnen, Beschichtung, beispielsweise aus Kohlenstoff, Carbiden, SiO₂, Al₂O₃ oder anderen Oxiden, versehen sein.

Der Fasergehalt im Verbundwerkstoff liegt etwa zwischen 5 und 55 Gew.-%. Ein höherer Füllungsgrad wird nur mit erheblichen Kosten erreicht, bei einem Anteil an Fasern von weniger als 5 Gew.-% fallen die Eigenschaftsänderungen durch die Faserverstärkung, insbesondere die Festigkeitssteigerung, sehr gering aus und wird eine gleichmäßige Verteilung der Fasern in der Matrix erschwert.

Aus ökonomischen und technischen Gründen wird ein Fasergehalt von etwa 25 bis 45 Gew.-% bevorzugt.

Bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Fasersorten erhält man sogenannte Hybridkomposite.

Neben der Glas-/Glaskeramikmatrix und den anorganischen Verstärkungsfasern enthält der erfindungsgemäße Reibbelag einen oder mehrere anorganische Füllstoffe, die pulverförmig eingesetzt werden. Es kann sich hierbei um keramische, glasige oder auch metallische Füllstoffe handeln. Im folgenden werden die wichtigsten Füllstoffe beispielhaft genannt.

Eingesetzt werden SiO₂, und zwar als kristalliner Quarz, Quarzglas oder Quarzgut, Al₂O₃, ZrO₂ oder ähnliche Oxide, auch Fe₂O₃ und Cr₂O₃, Calciumsilicate wie Wollastonit (CaO × SiO₂), 2 CaO × SiO₂, 3 CaO × SiO₂, Magnesiumsilicate und ihre Hydrate, z. B. Talk (3 MgO × 4 SiO₂ × H₂O), Zirconiumsilicat, Glimmer, Dolomit, Aluminosilicate wie Mullit, Sillimanit, Kaolin oder Ton, weiterer Calciumaluminosilicate, Kaliumaluminosilicate und Magnesiumaluminosilicate, z. B. Cordierith, auch Zement, Magnesiumoxid, Magnesiumcarborat und seine Hydrate, Magnesiumaluminat, Chromit, Titanoxid, z. B. Rutil, Aluminiumtitanat, weitere Carbonate, z. B. Kalk, auch gebrannter Kalk (CaO), Sulfate, z. B. BaSO₄, Gips, speziell als Halbhydrat oder Anhydrit, Sulfide wie MoS₂ oder CuS, Nitride, z. B. BN, Carbide, z. B. SiC, BaC, TiC, Kohlenstoff, und zwar als Graphit, auch Ruß und Kokspulver sowie Metalle, z. B. Kupfer, Aluminium, Magnesium, Eisen oder auch Stahl, oder Halbmetalle wie Silicium und/oder deren Legierungen.

Vorzugsweise werden als Füllstoffe SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicate und ihre Hydrate, Calciumsilicate, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, BaSO₄, BN, Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver verwendet. Dabei zeichnen sich die Hartstoffe dadurch aus, daß sie die Verschleißfestigkeit erhöhen, während die Komponenten mit geringerer Härte das Komfortverhalten verbessern.

Besonders bevorzugt sind Füllstoffgemische aus SiO₂ und Kaolin, aus Kaolin und Talk, aus Kaolin und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver oder aus ZrO₂ und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver.

Besonders vorteilhaft ist es, einen oder mehrere Füllstoffe aus der Gruppe SiC, ZrO₂, Al₂O₃, Kohlenstoffpulver, Ruß zu verwenden.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform wird C-Pulver oder Ruß zusammen mit einer Komponente aus der Gruppe SiC, ZrO₂, Al₂O₃ als Füllstoff verwendet.

Der Gehalt an Füllstoffen im Verbundwerkstoff beträgt wenigstens etwa 5 Gew.-% und höchstens 50 Gew.-%.

Bei niedrigeren Anteilen ist ihre Wirkung zu gering, bei höheren Anteilen treten prozeßtechnische Schwierigkeiten auf.

Besonders bevorzugt ist ein Füllstoffgehalt von etwa 25 bis 40 Gew.-%.

Generell können durch eine gezielte Auswahl von Matrix, Fasern und Füllstoffen die Verbundwerkstoffe auf ihren Einsatzzweck hin angepaßt werden. Viele physikalischen Eigenschaften wie thermische Ausdehnung, Wärmeleitung, Kriechverhalten bei thermischer Belastung, tribologisches Verhalten usw. sind in gewissen Grenzen variierbar und einstellbar.

Die im Verbundwerkstoff eingebauten Fasern können in vielfältiger Weise variiert werden, und zwar nicht nur im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung, sondern auch im Hinblick auf das Mikrogefüge sowie die äußere Geometrie.

Das Mikrogefüge der Fasern bestimmt (bei gleicher chemischer Zusammensetzung) die physikalischen Eigenschaften. So gibt es z.B. bei C-Fasern spezielle Hochmodul- und Hochfestfasern, deren unterschiedlicher Graphitisierungsgrad das tribologische und thermische Verhalten beeinflußt. Somit besteht bei Verwendung der gleichen Verstärkungsfasern in begrenztem Umfang eine Variationsmöglichkeit, aufgrund derer das Verbundmaterial auf die gewünschten Eigenschaften hin optimiert werden kann.

Besonders vielfältige Variationsmöglichkeiten bieten die Geometrie (Form und Abmessungen) der Verstärkungsfasern und die Anordnung der Fasern im Komposit.

So können die Gläser und Glaskeramiken mit Whiskern, Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern verstärkt werden, weitere Möglichkeiten bestehen bei der Verwendung von Fasermatten, Fasergeweben sowie in der Verwendung von Faserfilz. Darüber hinaus kann der Faserverlauf im Werkstoff der Geometrie des aus dem Werkstoff hergestellten Bauteils angepaßt werden, indem z.B. durch Wickeln zirkuläre oder anders geformte Ringstrukturen oder ringförmige Bauteile erzeugt werden.

Whisker und Kurzfasern (bis ca. 5 mm Faserlänge) sind meist isotrop im Komposit verteilt, was zu isotropen Eigenschaften führt, sie können aber auch, z. B. durch Strangpressen bei erhöhter Temperatur, partiell ausgerichtet werden. Sehr hohe Bruchzähigkeiten sind mit Whiskern oder Kurzfasern nicht zu erzielen. Lang- und Endlosfasern sind dagegen, zumindest in größeren Partien des Komposits, parallel angeordnet, was eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Komposits in dieser Richtung, aber kaum eine Verbesserung senkrecht dazu bewirkt. Jedoch kann auch bei Verwendung von Lang- und Endlosfasern durch einen Laminataufbau, bei dem die Fasern winklig zueinander angeordnet sind, eine weitgehende Isotropierung, zumindest bezüglich einer Ebene, erreicht werden.

Generell ist die Kompositherstellung und -formgebung mit Lang- oder Endlosfasern schwieriger als mit Whiskern und Kurzfasern, sie ermöglicht aber dafür die Erzielung von besonders guten mechanischen Werten in Vorzugsrichtungen. Durch die richtige Wahl der Faserarchitektur können Bauteile entwickelt werden, die an die zu erwartende Belastung angepaßt sind. Wie die Faserarchitektur bei faserverstärkten Bauteilen gestaltet werden muß, ist dem Fachmann, z.B. von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, bekannt.

Die Verwendung von Faserfilz und Fasergewebe führt zu Kompositwerkstoffen, die zwar im Vergleich zu Lang- oder Endlosfaserkompositwerkstoffen nur mittelmäßige Festigkeitswerte aufweisen, die aber dafür mit kostengünstigen Techniken produziert werden können. So können Gewebe und Filz beispielsweise auch mit Glasschmelzen oder mit Sol-Gel-Lösungen, die durch eine anschließende Wärmebehandlung in Glas oder Glaskeramik umgewandelt werden können, infiltriert werden.

Wie der Werkstoff hergestellt wird, d. h. ob mit Whiskern, Endlos-, Lang-, Kurzfasern, Gewebe, Filz usw., richtet sich nach den jeweiligen konkreten physikalischen und technischen Anforderungen und selbstverständlich nach den bei der Herstellung auftretenden Kosten, die den Preis des Werkstoffes und damit seine Wirtschaftlichkeit bestimmen.

Aufgrund der besonderen Anforderungen bezüglich der technischen Spezifikationen sowie einer wirtschaftlichen Produzierbarkeit werden für den erfindungsgemäßen Reibbelag vorzugsweise Kurzfasern in Zufallsorientierung eingesetzt, aber auch mit gerichteten Faserarchitekturen können gute Ergebnisse erzielt werden.

Die mechanischen Eigenschaften wie die Festigkeit und der Elastizitätsmodul von faserverstärkten Gläsern oder Glaskeramiken werden im wesentlichen durch Menge und Anordnung der eingebrachten Fasern beeinflußt. Die thermomechanischen Eigenschaften, so die thermische Dehnung, und die thermischen Eigenschaften, z. B. die Wärmeleitfähigkeit, werden wie auch die tribologischen Eigenschaften wie Reibwerte und Verschleiß durch die Zusammensetzung des Gesamtverbundes, d. h. durch die Anteile an Einzelkomponenten und durch ihre Eigenschaften, beeinflußt.

So werden mit C- oder SiC-Fasern bei unidirektionaler Faseranordnung mit einem Fasergehalt von ca. 40 Gew.-% Biegezugfestigkeiten von mehr als 1200 MPa und E-Moduln von mehr als 130 GPa bei gleichzeitiger Steigerung der Brucharbeit gegenüber den reinen Gläsern oder Glaskeramiken erreicht. In multidirektional gerichteter bzw. zufälliger Faseranordnung sowie bei verändertem Fasergehalt ergeben sich, dem Anteil der im Verbund in Belastungsrichtung vorhandenen Fasern entsprechend, geringere Festigkeiten und E-Moduln.

Rein SiC-faserverstärkte Gläser besitzen mit ca. 1,5 W × m^-1 × K^-1 eine sehr geringe anisotrope Wärmeleitfähigkeit, die durch das Einbringen von Zusatzkomponenten in Abhängigkeit von deren Anteil verändert werden kann. So werden durch die Zugabe von Kohlenstoffasern und/oder Kohlenstoff-, Metall- und/oder Keramikpulver die Wärmeleitfähigkeit und auch die thermische Dehnung erhöht. Durch die Zugabe von Komponenten mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer thermischer Dehnung wie z. B. Kieselglas können diese Eigenschaftswerte entsprechend gesenkt werden.

Die Verbundwerkstoffe sind gut mechanisch bearbeitbar, so daß sie sich als Beläge gut auf die Kupplungsscheibe montieren, i.a. vernieten, schrauben oder kleben lassen.

Die beschriebenen rein anorganischen Verbundwerkstoffe mit wasserunlöslicher Matrix halten der speziellen kombinierten thermo-tribo-mechanischen Beanspruchung, der Reibbeläge für Kupplungen unterworfen sind, hervorragend stand. So erfüllen sie auch die Anforderungen bezüglich der Berstdrehzahl.

Überraschenderweise sind sie nicht nur sehr temperaturbeständig, sondern erfüllen sie das gesamte Anforderungsprofil. So weisen sie neben der geforderten Festigkeit auch einen konstant hohen Reibwert und einen geringen Verschleiß auf und zeigen ein gutes Komfortverhalten. Insbesondere die letztgenannte Eigenschaft war nicht voraussehbar.

Konkret zeigen diese Verbundwerkstoffe gegenüber den herkömmlichen organischen Kupplungsreibbeschlägen eine wesentlich höhere Dauertemperaturbelastbarkeit, eine Verschleißrate gegen Grauguß von weniger als 5 × 10^-5 mm³/Nm, einen Reibwert μ gegen Grauguß zwischen 0,3 und 0,8 sowie eine hohe Reibwertkonstanz bei Gleitgeschwindigkeiten von 4-40 m/s. Hierbei sind Reibwert und Verschleißrate in einer Block-Ring- Anordnung mit dem Ring als metallischem Gegenpartner bei Drücken bis 5 MPa und Relativgeschwindigkeiten bis 5 m/s bestimmt worden. Die Messung in einer Stift-Scheibe-Anordnung mit der Scheibe als metallischem Gegenpartner führt zu denselben Werten.

Die Verbundwerkstoffe sind also als Reibbeläge für Reibungskupplungen hervorragend geeignet. Sie sind für diesen Zweck den bisher verwendeten Materialien überlegen. Ihre hohe Dauertemperaturbelastbarkeit zeichnet sie gegenüber den üblicherweise verwendeten organischen Belägen aus. Gegenüber metallischen Sinterbelägen zeichnen sie sich insbesondere durch ihr gutes Komfortverhalten und durch einen geringen Verschleiß des Gegenpartners aus.

Die beschriebenen rein anorganischen Verbundwerkstoffen vereinen also die geforderten und bisher jeweils nur teilweise realisierten Eigenschaften in sich und sind daher für die verschiedensten Reibungskupplungen sehr gut geeignet.

Die übliche Kraftfahrzeugkupplung ist die schaltbare, trockene Reibungskupplung, mit der sich der Motor vom übrigen Antriebsstrang trennen und unter Drehmomentbelastung wieder ruckfrei verbinden läßt. Trockenreibungskupplungen finden Verwendung vor allem in Personenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen. Für diese Kupplungen sind die erfindungsgemäßen Reibbeläge hervorragend geeignet.

In der Standardbauweise besteht eine Kraftfahrzeugkupplung aus einer mit dem Schwungrad verschraubten Membranfederdruckplatte, einer axial auf der Getriebeeingangswelle verschiebbaren Kupplungsscheibe mit zwei Reibbelä gen, einem in die Kupplungsscheibe integrierten Torsionsdämpfer und einem Ausrücker, der über ein Kugellager den Ausrückweg von den nichtrotierenden Betätigungselementen auf die Druckplatte überträgt. Das Schwungrad dient als Gegenreibfläche für die Kupplungsscheibe.

Die beschriebenen Verbundwerkstoffe sind als Reibbeläge für diese Standard-Kupplungen genauso gut geeignet wie für Weiterentwicklungen wie Kupplungen mit Zweimassenschwungrad, Überbrückungskupplungen in Drehmomentwandlern oder Schaltkupplungen in automatischen Gertrieben.

Ein anderer Kupplungstyp ist die Naßlaufkupplung ("Naß"-Kupplung). Sie findet insbesondere bei bestimmten Personenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen wie Motorrädern und Ackerschleppern Anwendung. Auch als Reibbeläge für diese "Naß"-Kupplungen sind die beschriebenen Verbundwerkstoffe gut geeignet.

Auch für die Kupplungen der verschiedensten Spezialfahrzeuge, beispielsweise Fahrzeuge im Tage- und Bergbau und in der Militärtechnik, z. B. Selbstfahrlafetten, sowie von landwirtschaftlichen Fahrzeugen sind die beschriebenen Verbundwerkstoffe als Reibbeläge gut geeignet.

Auch bei der automatischen Kupplungsbetätigung werden Reibbeläge benötigt. Auch hierfür eignen sich die beschriebenen Verbundwerkstoffe gut.

Die Verbundwerkstoffe sind nicht nur als Reibbelag für Kraftfahrzeugkupplungen als Anfahr- und/oder Schaltkupplungen, sondern auch als Reibbelag für andere Antriebskupplungen, beispielsweise für Strömungsmaschinen und Fertigungsmaschinen, z. B. Druck- und Textilmaschinen, und für Transport-, Förder- und Hebeanlagen geeignet.

Wie allgemein bekannt ist, sind Reibbeläge für Reibkupplungen entsprechend abgewandelt auch für Bremsen geeignet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Aus verschiedenen Materialkombinationen wurden auf übliche Weise, nämlich im Slurry-Sol-Gel-Verfahren, faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Fasern in ungeregelter Faseranordnung hergestellt.
In Prüfstands- und Kfz-Versuchen wurden verschiedene mechanische und tribologische Eigenschaften von ihnen bestimmt.
Variierend mit den jeweiligen Zusammensetzungen wurden Festigkeiten zwischen 150 und 250 MPa und Elastizitätsmoduln bis 100 GPa bestimmt.
Die folgenden Prozentangaben der Zusammensetzungen stellen Gew.-% dar.
Zum einen wurden füllstofffreie Verbundwerkstoffe aus 50 % Borosilicatglasmatrix (Duran^®) und 50 % SiC- und/oder C-Fasern, und zwar Kurzfasern von 1 bis 50 mm Länge, in unterschiedlichen Anteilen hergestellt: V1 – V5. Die jeweiligen Faseranteile und die Meßergebnisse (Reibwert und Verschleißrate) sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Ausgehend von V1 (nur SiC-Fasern) mit einem Reibwert von 0,4, einer Verschleißrate von 2 × 10^-6 mm³/Nm und einem unbefriedigendem Komfortverhalten steigt mit zunehmendem C-Faser-Gehalt zwar der Reibwert auf bis zu 0,8 (V5, nur C-Fasern), aber auch die Verschleißrate auf bis zu 3 × 10^-5 mm³/Nm (V5). Das Komfortverhalten verbessert sich nur etwas.
Tabelle 1 Reibwerte und Verschleißraten von Verbundwerkstoffen aus 50 % Borosilicatglasmatrix und 50 % Fasern.
Zum anderen wurden Verbundwerkstoffe mit 40 % Borosilicatglasmatrix (Duran^®), 30 % SiC-(6 %) und C-Fasern (24 %) und 30 % unterschiedlicher Füllstoffe und Füllstoffmischungen hergestellt.
Verglichen mit den füllstofffreien Vergleichsbeispielen mit guten Ergebnissen bezüglich Reibwert und Verschleißrate, aber weniger gutem Komfortverhalten bleibt der Reibwert hoch (ca. 0,4 – 0,6) und wird der Verschleiß beibehalten oder sogar verringert und das Komfortverhalten verbessert.
Im einzelnen:
Besteht der Füllstoffanteil aus SiC-, ZrO₂- oder Al₂O₃-Pulver oder Mischungen daraus, ist der Reibwert hoch (bis ca. 0,7) und wird insbesondere der Verschleiß verringert, z. B. bei 30 % ZrO₂-Gehalt auf 1 × 10^-6 mm³/Nm. Auch das Komfortverhalten wird etwas verbessert. Für zwei Beispiele (B1, B2) sind die konkreten Daten des Reibwertes und der Verschleißrate in Tabelle 2 aufgeführt.
Auch bei C-Pulver und/oder Ruß als Füllstoff wird der Reibwert verbessert bzw. bleibt er hoch. Auch das Komfortverhalten wird verbessert. Die Verschleißrate steigt jedoch etwas an, sie liegt damit aber noch im tolerierbaren Bereich. Die Beispiele B3 und B4 in Tabelle 2 verdeutlichen diese Aussagen. Auch Kaolin gehört zu dieser Gruppe Füllstoffe.
Besteht der Füllstoff aus einer Mischung aus zum einen C-Pulver, Ruß oder Kaolin und zum anderen SiC-, ZrO₂- oder Al₂O₃- Pulver mit einem Gesamt-Füllstoffanteil von wiederum 30 %, so verbessert sich das Komfortverhalten. Reibwert und Verschleißrate bleiben ausreichend gut bzw. werden noch verbessert (s. dazu Tabelle 2, B5 – B8).
Der Reibbelag aus Matrix, Fasern und Füllstoffen weist also, verglichen mit den füllstofffreien Beispielen, ein verbessertes Komfortverhalten auf und vereint einen guten, d. h. hohen Reibwert mit einer guten, d. h. niedrigen Verschleißrate.
Tabelle 2 Reibwerte und Verschleißraten von Verbundwerkstoffen aus 40 % Borosilicatglasmatrix, 30 % Fasern (6 % SiC, 24 % C) und 30 % Füllstoffen.

Claims

Reibbelag für Drehmomentübertragungseinrichtungen, insbesondere für Reibungskupplungen, bestehend aus einem anorganischen Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix, anorganischen Verstärkungsfasern, einem oder mehreren keramischen, glasigen oder metallischen Füllstoffen besteht.
Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasmatrix aus Borosilicatglas, Aluminosilicatglas, Alkali-Erdalkali-Silicatglas oder Basaltglas besteht.
Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramikmatrix aus einer Glaskeramik aus dem System Li₂O - Al₂O₃ - SiO₂, MgO - Al₂O₃ - SiO₂, CaO - Al₂O₃ - SiO₂, oder MgO - CaO - BaO - Al₂O₃ - SiO₂ oder aus Li₂O - Al₂O₃ - SiO₂ - kristallhaltigen Boratgläsern besteht.
Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus einer oder mehreren Komponenten der Gruppe Kohlenstoff, SiC, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Mullit, Calciumsilicaten, Kieselglas, Glas mit einem SiO₂-Gehalt von mehr als 80 Gew.-%, A-, C-, S- oder E-Glas, Steinwolle als Hauptkomponenten, ggf. mit Zusätzen von Si, Ti, Zr, Al, C, N oder O bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff und/oder SiC bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff, Carbiden, SiO₂ oder Al₂O₃ versehen sind.
Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fasergehalt zwischen 5 und 55 Gew.-% beträgt.
Reibbelag nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fasergehalt zwischen 25 und 45 Gew.-% beträgt.
Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Füllstoffe aus pulverförmigen SiO₂ (als kristalliner Quarz, Quarzglas oder Quarzgut), Al₂O₃, ZrO₂, Fe₂O₃, Cr₂O₃, Calciumsilicaten, Magnesiumsilicaten und deren Hydraten, Zirconiumsilicat, Aluminosilicaten, Calciumaluminosilicaten, Kaliumaluminosilicaten, Magnesiumaluminosilicaten, Glimmer, Zement, Magnesiumoxid, Magnesiumcarbonat und seine Hydrate, Magnesiumaluminat, Chromit, Dolomit, Titanoxid, Aluminiumtitanat, Carbonaten, Sulfaten, Carbiden, Sulfiden, Nitriden, Kohlenstoff (als Graphit), Ruß oder Kokspulver, Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Silicium, Magnesium, und/oder deren Legierungen bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Füllstoffe aus pulverförmigen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, Magnesiumsilicaten und deren Hydraten, Calciumsilicaten, Mullit, Kaolin, SiC, TiC, BaSO₄, BN, Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe aus einem Gemisch aus SiO₂ und Kaolin oder aus Kaolin und Talk, oder aus Kaolin und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver, oder aus ZrO₂ und Kohlenstoff, Ruß oder Kokspulver bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Füllstoffe aus SiC und/oder ZrO₂ und/oder Al₂O₃ und/oder Kohlenstoffpulver und/oder Ruß bestehen.
Reibbelag nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffe aus einem Gemisch aus Kohlenstoffpulver oder Ruß und einer Komponente aus der Gruppe SiC, ZrO₂, Al₂O₃ bestehen.
Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoffgehalt zwischen 5 und 50 Gew.-% beträgt.
Reibbelag nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoffgehalt zwischen 25 und 40 Gew.-% beträgt.
Reibbelag nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff gegen Grauguß in einer Block-Ring- oder Stift-Scheibe-Anordnung mit Ring oder Scheibe als metallischem Gegenpartner bei Drücken bis 5 MPa und Relativgeschwindigkeiten bis 5 m/s einen Reibwert μ von wenigstens 0,3, eine Reibwertkonstanz bei Gleitgeschwindigkeiten von 4-40 m/s und eine Verschleißrate von weniger als 5 × 10^-5 mm³/Nm aufweist.
Verwendung des Reibbelages nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 für Kraftfahrzeugkupplungen als Anfahr- und/oder Schaltkupplungen.
Verwendung des Reibbelages nach Anspruch 17 für Trockenreibungskupplungen in Personenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen.