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Reibbelag
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Die Erfindung betrifft Reibbeläge, wie sie beispielsweise in automatischen
Getrieben, als Belag bei Kupplungen oder Bremsen usw., zum Einsatz gelangen.
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Reibbeläge der oben erwähnten Art sollen eine ganze Reihe von Eigenschaften
aufweisen. So ist es z.B. erforderlich, daß der Reibbelag möglichst wärmebeständig
ist, da er beim Einsatz als Bremsbelag Bremsenergie aufnehmen muß und dabei Temperaturen
bis 11000C auftreten können. Er soll möglichst abriebbeständig sein, damit die Lebensdauer
der Reibbeläge hoch ist.
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Der Reibbelag muß ferner leicht bearbeitbar sein, so daß man ihn ohne
Schwierigkeiten in eine gewünschte Form bringen kann. Schließlich ist es oft auch
erwünscht, daß man ihn auf einer oder mehreren Seiten aufrauhen kann, um gegebenenfalls
das Material mittels eines Klebemittels auf eine Unterlage wie z.B. einen Metallträger
befestigen kann.
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Es sind bereits eine ganze Reihe von Reibbelägen bekannt, die zum
Teil die erwähnten Eigenschaften in mehr oder weniger zufri£denstellendem Umfang
aufweisen. Trotzdem besteht noch das Bedürfnis nach verbesserten Reibbelägen, die
auf einfache Art und Weise herstellbar sind und sich vielseitig einsetzen lassen.
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In den meisten der bekannten Reibbeläge wird als Faserkomponente Asbest
eingesetzt, gegen dessen Verwendung in letzter Zeit aus Gründen des Umweltschutzes
erhebliche Bedenken vorgebracht werden; Asbest soll gesundheitsschädlich insbesondere
krebserregend oder krebsfördernd sein. Man rechnet deshalb mit Maßnahmen des Gesetzgebers,
die zum Ziele haben sollen, in absehbarer Zeit den Einsatz von Asbest entweder vollständig
zu verbieten oder doch weitgehenst auszuschließen. Ganz abgesehen davon ist Asbest
auch ein Rohstoff, der nicht in unbegrenzten Mengen zur Verfügung steht.
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Es besteht somit weiter ein Bedürfnis nach Reibbelägen, in denen als
Faserkomponente kein Asbest mehr vorhanden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Reibbelag zur Verfügung
zu stellen, der ohne die bisher üblicherweise verwendeten Asbestfasern aufgebaut
ist, der sich auf einfache Art und Weise verarbeiten läßt und gute Gebrauchseigenschaften
aufweist. Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Reibbelag, der eine gute Wärmebeständigkeit
aufweist, in dem die verwendeten Verstärkungsfasern eine gute Bindung zu dem Einbettungsmaterial
aufweisen, der hohe Abriebfestigkeiten besitzt, der sich durch einen besonders homogenen
Aufbau auszeichnet, über eine lange Lebensdauer verfügt und insbesondere beim Einsatz
als Bremsbelag
nicht die üblichen Quietschgeräusche verursacht.
Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Reibbelag, der vielseitig einsetzbar ist und
eine geringe Aggressivität gegenüber dem eingesetzten Gegenmaterial besitzt und
über einen hohen Reibwert verfügt und dynamische und statische Reibungskoeffizienten
besitzt, die in einem günstigen Verhältnis zueinander stehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Reibbelag gelöst, der
im wesentlichen aus einem Fasermaterial, einer polymeren Bindemittelmasse, Füllmittel
sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen aufgebaut ist und der dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Fasermaterial ganz oder teilweise aus Kieselsäurefasern besteht. Die
Kieselsäurefasern, die erfindungsgemäß in dem Reibbelag zum Einsatz gelangen, sind
vorzugsweise durch Trockenverspinnen von Natronwasserglas und Behandeln der Natronwasserglasfasern
zur Umwandlung des Natriumsilikats in Kieselsäure mit wäßrigen, wasserstoffioenhaltigen
Säure-oder Salzlösungen erhalten worden. Die Kieselsäurefasern 2 können eine Zugfestigkeit
von etwa 200 bis 800 N/mm2 und einen E-modul von 10 x 103bis 100 x 103 N/mm2 aufweisen.
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Vorzugsweise gelangen die Kieselsäurefasern kurzgeschnitten zum Einsatz
und besitzen eine Stapellänge von etwa 1 bis 40 mm, wobei Kieselsäurefasern mit
einer Ausgangsstapellänge von 5 bis 15 mm besonders geeignet sind. Der Anteil an
Kieselsäurefasern in dem Reibbelag kann z.B. 5 bis 70 Gew.% betragen.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Fasermaterial neben Kieselsäurefasern
noch weitere Fasern enthält, sei es in Form eines Fasergemisches oder auf die Weise,
daß das Fasermaterial aus zwei oder mehreren Garnsorten aus jeweils unterschiedlichen
Fasern hergestellt wurde. Folgende Kombinationen von Fasern sind sehr geeignet:
Kieselsäurefasern und Polyacrylnitrilfasern, Kieselsäurefasern und Viskosefasern,
Kieselsäurefasern und Kohlenstoff-Fasern insbesondere auch Kieselsäurefasern und
Fasern aus vollaromatischen Polyamiden und Kieselsäurefasern
und
Metallfasern, insbesondere Stahlwolle. Metallfasern sind auch vorteilhaft, wenn
neben Kieselsaurefasern bereits eine weitere Faserkomponente der oben erwähnten
Arten vorhanden ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
werden die Reibbeläge durch Verpressen von kieselsäurehaltigen Stäbchenmassen erhalten.
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Das Reibmaterial gemäß der Erfindung wird vorzugsweise als Reibbelag
bei Scheiben- und Trommelbremsen, als Reibbelag von Kupplungen sowie als Scheibenmaterial
bei Mehrscheibenkupplunten einge#etzt.
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Unter Kieselsäurefasern im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind
Fasern zu verstehen, die als Hauptbestandteil SiO2 oder polymere Kiebelsäure enthalten,
wie sie formal gesehen durch Kondensation von Orthokieselsäure entsteht. Die Übergänge
zwischen hochkondensierter Kieselsäure und dem reinen SiO2 sind fließend.
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Vorzugsweise haben die Kieselsäurefasern der vorliegenden Erfindung
im entwässerten Zustand einen Si02-Gehalt von über 95 Gew.-%, insbesondere über
98 oder sogar 99,5 und mehr Gew.-%.
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Es können Wasser enthaltende und SiOH-Gruppen aufweisende Fasern eingesetzt
werden, welche z.B. aus Natronwasserglasfasern nach Behandlung mit verdünnter Salzsäure
und Trocknen bei Temperaturen bis etwa 1200C entstehen. Bevorzugt werden jedoch
bei Temperaturen über 8000C getemperte, praktisch wasserfreie und SiOH-gruppenarme
Kieselsäurefasern. Die Fasern sind vorzugsweise praktisch frei von sonstigen Oxiden
wieA12°3' MgO usw.
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Die lierstellung derartiger Kieselsäurefasern kann z.B.
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durch Auslaugen von Glasfasern mit Säuren geschehen. Vorzugsweise
werden im Rahmen der Erfindung jedoch Kieselsäurefasern eingesetzt, die durch Trockenverspinnen
von Natronwasserglas zu Wasserglasfasern und durch anschließendes Behandeln der
Wasserglas fasern mit sauren Verbindungen erhalten worden sind. In einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Kieselsäurefasern verwendet,
wie sie nach der Lehre der deutschen Patentanmeldung, Aktenzeichen P 29 00 991.4
vom 12.1.1979 erhalten werden.
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Unter Fasermaterial im Rahmen der Erfindung sind zu verstehen Fasern
als solche, d.h. Fasern mit begrenzter Länge, also
Stapelfasern,
und Fasern von praktisch endloser Länge d.h.
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Filamente, ferner Fasern in Form von Matten, Vliesen, Filzen, sundeln
oder büschel, Garnen, Zwirnen, Seilen, Bändern, Geweben u.dgl.
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Kieselsäurefasern können im Rahmen der Erfindung in den verschiedensten
Aufmachungen eingesetzt werden. So ist es möglich, die Fasern als Kurzschnitt von
gleicher oder verschiedener Stapellänge einzusetzen. Günstige Faserlängen sind 3,
6, 12 und 24 mm. Kurzschnittfaserbündel werden vor allem bei Bremsbelägen verwendet.
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Die Fasern können auch als Filamente, als Garn, Seil usw.
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eingesetzt werden. Auch ist die Verwendung als Gewebe oder Vliese
möglich. Garne gelangen vor allem bei der Herstellung von Kupplungsbelägen, Vliese
vor allem bei Reibbelägen, die bei automatischen Getrieben verwendet werden, zum
Einsatz.
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Stähchenmassen, welche Kieselsäurefasern enthalten, können erhalten
werden, indem man Kieselsäurefilamente mit Bindemittel, Füllmittel, Lösungsmittel
und ggf. weiteren Zusätzen vermengt, das Gemisch durch eine Kalibrierdüse extrudiert,
und das Extrudat nach Entfernen des Lösungsmittels, schneidet bzw. granuliert. Die
erhaltenen Stäbchen, blatt- oder granulatförmigen Teilchen können dann in einfacher
Weise durch Pressen bei entsprechenden Temperaturen zu Reibbelägen geformt werden.
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Die Kieselsäurefasern können allein oder unter Mitverwendung von einer
oder mehreren der weiter oben erwähnten Fasersorten zum Einsatz gelangen; günstig
sind Zusätze von Metallfasern oder -drähten, auch wenn neben den Kieselsäurefasern
noch andere Fasern vorhanden sind.
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Bei Verwendung von mehreren Faserarten kann im Rahmen der Erfindung
von einem Fasergemisch ausgegangen werden, das durch einfaches Vermischen von Kieselsäurefasern
und weiteren Fasern erhalten wird. Es ist aber auch möglich, verschiedene Fasern
ohne vorheriges Mischen zu verarbeiten, z.B. indem man zunächst aus Kieselsäurefasern
ein Garn und zum anderen beispielsweise aus Fasern aus vollaromatischen Polyamiden
ein weiteres Garn herstellt und diese beiden unterschiedlichen Garne zusammen weiterverarbeitet
z.B.
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zu einem Zwirn. Es ist auch möglich, Garne aus Kieselsäurefasern und
zum Beispiel vollaromatischen Polyamiden zusammenzufachen und anschließend gemeinsam
zu schneiden, um eine gute Durchmischung zu haben. Es hat sich gezeigt, daß für
Bremsbeläge die Mitverwendung von Qtahlwolle sehr günstig ist. In Reibbelägen, die
in Kupplungen eingesetzt werden, sind Messingdrahte als Zusatz sehr geeignet. Auf
diese Weise kann das Wärmeleitvermögen und auch der Reibwert vorteilhaft beeinflußt
werden.
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Unter vollaromatischen Polyamiden sind sogenannte Aramide zu verstehen,
die aus aromatischen Dicarbonsäuren und aromatischen Diaminen bzw. aromatischen
Aminocarbonsäuren erhalten werden.
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Als Bindemittel oder Matrix, in welche das Fasermaterial eingebettet
ist und als Verstärkung dient, können übliche polymere Verbindungen verwendet werden.
Bekannt sind Harze auf Basis von Phenolen, die z.B. durch Kondensation von Phenol
und Aldehyden wie Formaldehyd oder Acrolein erhalten werden. Es ist auch möglich,
als Bindemittel Melaminharze und dgl. zu verwenden. Es können übliche Lösungsmittel
genommen werden. Der Reibbelag gemäß der Erfindung kann übliche Füllmittel wie Ruß,
Metalloxide, Kaolin usw. eflthalten,das Mitverarbeiten von üblichen Zusätzen ist
möglich. Auch der Einsatz von Polytetrafluoräthylen als Bindemasse ist möglich.
Das
Verformen zu Reibbelägen üblicher z.B. ring-, platten-, quader- oder kegelförmiger
Gestalt wie Scheiben, Ringen, Blöcken u.dgl. kann nach an sich bekanntem Verfahren
geschehen. Auch die weitere mechanische Bearbeitung z.B. das Einbringen von Vertiefungen
oder öffnungen kann auf übliche Weise erfolgen.
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Ubliche Bindemittel, Füllmaterialien, Zusätze sowie entsprechende
Herstellungsverfahren werden in der Literatur vielfach beschrieben. In diesem Zu#ammenhang
sei auf die in der Zeitschrift Gummi, Asbest, Kunststoffe in den Jahrgängen 1973
und 1974 veröffentlichte Artikelserie "Entwicklungen von Reibbelägen für Kupplungen
und Bremsen von H. Bohmhammel verwiesen, in der Einzelheiten über die Herstellung
von Reibbelägen angegeben werden.
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Die Kieselsäurefasern können in dem Reibmaterial ohne besondere Präparation
zum Einsatz gelangen. Es ist aber auch möglich, die Fasern, bevor sie eingebettet
werden, mit einer speziellen Praparation zu versehen. Zu Präparationen, die sich
im Rahmen der Erfindung besonders bewährt haben, gehören Polyurethane, Epoxidharze,
Latices sowie Phenolharze auf der Basis von Phenol und Formaldehyd. Es reicht im
allgemeinen aus, wenn die eingesetzten Fasern mit 1 bis 7 Gew.% der Präparation
versehen sind.
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Ihre Verarbeitung kann sodann auf an sich bekannte Art und Weise geschehen.
So ist es möglich, unter Einsatz der Kieselsäurefasern, gegebenenfalls unter Mitverwendung
weiterer Fasern, ein Garn, ein Seil, eine Matte, ein Vlies, ein Gewebe oder ähnliche
Gebilde herzustellen, dieses mit dem Bindematerial zu imprägnieren und aus dieser
Masse sodann z.B. durch Pressen, wobei gegebenenfalls noch vorhandenes Lösungsmittel
entfernt werden muß, einen entsprechenden Formkörper, z.B.
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eine Scheibe oder einen Klotz, zu bilden. Die Verarbeitung von Kieselsäure
enthaltenden Stäbchenmassen durch Pressen ist besonders vorteilhaft.
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Die Scheiben können sodann als solche bzw. nachdem sie auf eine Unterlage
gebracht worden sindtzum Einsatz gelangen.
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Es war besonders überraschend, daß sich die erfindungsgenzaßen Reibbeläge
so vorteilhaft, insbesondere als Reibbeläge in Bremsen und Kupplungen einsetzen
lassen. Sie sind ferner sehr gut geeignet als Scheiben bei sogenannten Mehrscheibenku#plungen.
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Die Reibmaterialien lassen sich gut durch mechanlsche Mittel bearbeiten,
so ist es ohne weiteres möglich, sie durch Schleifen, Bohren, Fräsen usw. auf entsprechende
Form zu bringen. Entgraten, Einbringen von Nuten oder spiraltörmigen Vertiefungen
ist ohne Sc}lwierigReiten möylich.
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Eine aus dem Reibbelag gemäß der Erfindung hergestellte Scheibe läßt
sich sehr gut aufrauhen, so daß sie mit ihrer aufgerauhten Seite unter Verwendung
eines Klebers einwandfrei mit einer Unterlage, die ihrerseits wieder aufgerauht
sein kann, fest verbunden werden kann. Die Haftung zwischen Unterlage und Reibmaterial
ist ausgezeichnet.
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Die Reibmaterialien gemäß der Erfindung sind sehr beständig gegen
den Einfluß von Wärme, weisen einen geringen Abrieb und damit eine hohe Lebensdauer
beim Einsatz als Kupplungs-und Bremsbeläge auf. Das Material besitzt eine hohe Elastizität
sowie hohe Reibwerte sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Belastung. Bei
Bremsen, die Bremsbeläge aus erfindungsgemäßem Reibmaterial enthalten, tritt das
vielfach übliche Quietschen nicht mehr auf.
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Der Reibbelag ist nicht aggressiv gegenüber Gegenmaterialien wie z.B.
Stahl oder Guß. Aufgrund der günstigen Oberflächeneigenschaften und ihrer guten
Benetzbarkeit ist die Haftung
zwischen Kieselsäurefasern und Bindemittel
ausgezeichnet, was sich in einer guten Homogenität des Reibbelages bemerkbar macht.
Infolge des Reibverhaltens lassen sich bei synchronisiebten Getrieben sehr kurze
Schaltzeiten erreichen. Auch die Verträslichkeit der Kieselsäurefasern mit den übrigen
eingesetzten Stoffen ist sehr zufriedenstellend.
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Die Reibbeläge haben ein gutes Berstverhalten und besitzen hohe Berstfestigkeiten,
wie sie vor allem für Kupplungsbeläge gefordert werden.
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Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1 Herstellung eines Kupplungsreibbelages.
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Aus einem Garn aus Kieselsäurefasern und einem Garn aus einer vollaromatischen
Polyamidfaser wird im Volumenverhältnis 1:1 ein Mischzwirn hergestellt mit einem
Gesamttiter von 12 000 dtex. Die Garndrehung ist 120 Drehungen pro Meter, die Zwirndrehunq
150 Drehungen pro Meter. Vier dieser Zwirne werden zu einem Band zusammengefaßt
und durch ein Tauchbad geführt, das eine übliche Imprägniermischung enthält. Diese
Mischung besteht im wesentlichen aus Phenolharz. Natur- und Syntheselatices (50
Gewichtsteile), sowie RuB- und Graphit (20 Gewichtsteile), Kaolin (15 Gewichtsteile)
Zinkoxid (5 Gewichtsteile) und Schwefel (10 Gewichtsteile) und athylmethylketon
als Lösungsmittel.
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Nach dem Impräqnieren werden die Bändchen bis zur Klebefreiheit getrocknet,
sodann zu einem scheibenförmigen Vorformling einer Dicke von etwa 6 mm gewickelt
und anschließend verpreßt, das Verpressen geschieht bei einem Druck von 120 bar
und einer Temperatur von 1800C. Die Enddicke der Scheibe beträgt etwa 3 mm.
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Beispiel 2 Herstellung eines Bremsbelages Ein Kieselsäurefilamentgarn
und ein Filamentgarn aus vollaromatischem Polyamid wird im Volumenverhältnis 2:1
gefacht und dann mittels einer üblichen Schneidevorrichtung zu Faserkurzschnitt
einer Stapellänge von 6 mm geschnitten.
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30 Volumenteile dieses Kurzschnittgemisches werden mit 70 Volumenteilen
eines Bindemittelgemisches vermischt und auf übliche Weise zu einem Bremsbelag verarbeitet.
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Das Bindemittelgemisch enthält - alle Zahlenangaben sind Volumenteile
- Phenol-Kresolharz (30), synthetischen Kautschuk (10), Baryt (5), Schiefermehl/Kaolin-Gemisch
(10), Graphit (5), Molybdänsulfid (5), Eisenspäne/Kupferpulvergemisch 3:1 (5).