(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿式摩擦クラッチに用いられるＣ／Ｃコンポジット製クラッチディスクにおいて、
多数の気孔を有する環状のディスク状本体（２）と、同じく多数の気孔を有し前記ディスク状本体（２）の厚さ方向一方側の側面（３）及び他方側の側面（３）とそれぞれ一体で且つクラッチプレートと摺擦する一対の環状摩擦層（４）とよりなり、
前記ディスク状本体（２）の気孔率Ｖ1 を  ３％≦Ｖ1 ＜２０％とし、且つ前記摩擦層（４）の気孔率Ｖ2 を  ２０％≦Ｖ2 ≦６０％として、前記摩擦層（４）の気孔率Ｖ2 を前記ディスク状本体（２）の気孔率Ｖ1 よりも大きく設定したことを特徴とする、湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスク。
【請求項２】
請求項１に記載の湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクを製造するに当り、
炭素繊維群および粉末状炭素前駆体を含むディスク状本体用第１成形材料を用いてプリフォームを得る工程と、
炭素繊維群および粉末状炭素前駆体を含む摩擦層用第２成形材料および前記プリフォームを用いて、前記ディスク状本体（２）に対応する部分および前記摩擦層（４）に対応する部分を備えた中間体を成形する工程と、
前記中間体における前記炭素前駆体を炭化する工程とを用いることを特徴とする、湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿式摩擦クラッチに用いられるＣ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材料）製クラッチディスクおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のクラッチディスクとしては、特開昭６２−１６５０３７号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクラッチディスクにおいて、その気孔率Ｖはディスク全体に亘り略一定であって、例えばＶ＝１５％に設定されている。このように気孔率Ｖを比較的低く設定する理由は、スプライン部分を含むクラッチディスク全体の強度を確保するためである。
【０００４】
しかしながら、前記のような低い気孔率Ｖでは、クラッチプレートとの摩擦部において、その気孔量が不十分となるため、気孔を介しての流体潤滑から境界潤滑への移行が速やかに行われず、良好な動摩擦特性を得ることができない。また気孔量不足は、摩擦部の潤滑油による冷却不良を招くので、その摩擦部が過度に温度上昇し、その結果、オイルスラジによる気孔の目詰りが急激に進行してクラッチディスクの耐久性が早期に劣化する、という問題を生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、全体的な強度を容易に確保することが可能であると共に摩擦側には十分な量の気孔を持たせることが可能な前記クラッチディスクを提供することを目的とする。
【０００６】
前記目的を達成するために、請求項１の発明によれば、湿式摩擦クラッチに用いられるＣ／Ｃコンポジット製クラッチディスクにおいて、多数の気孔を有する環状のディスク状本体と、同じく多数の気孔を有し前記ディスク状本体の厚さ方向一方側の側面及び他方側の側面とそれぞれ一体で且つクラッチプレートと摺擦する一対の環状摩擦層とよりなり、前記ディスク状本体の気孔率Ｖ1 が、３％≦Ｖ1 ＜２０％の範囲に収まると共に、前記摩擦層の気孔率Ｖ2 が、２０％≦Ｖ2 ≦６０％の範囲に収まるようにして、前記摩擦層の気孔率Ｖ2 を前記ディスク状本体の気孔率Ｖ1 よりも大きく設定したことを特徴とする湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクが提供される。
【０００７】
前記のように構成すると、ディスク状本体の気孔率Ｖ1 を３％≦Ｖ1 ＜２０％といったように摩擦層の気孔率Ｖ2 よりも低く設定することが可能であり、これにより、摩擦層の気孔率Ｖ2 を高く設定しながらクラッチディスク全体の強度を容易に確保することができる。ただし、気孔率Ｖ1 がＶ1 ≧２０％ではディスク状本体２の強度が低下するため、トルク伝達に際し、スプライン歯の歯元部が折損するおそれがあり、これを回避するためにディスク状本体の厚さを増すと、クラッチの大型化を招来するので好ましくない。また気孔率Ｖ1 の下限値はＶ1 ＝３％に設定されるが、これは、Ｖ1 ＜３％であるディスク状本体が製造困難であるからである。
【０００８】
一方、摩擦層の気孔率Ｖ2 を前記のようにディスク状本体の気孔率Ｖ1 よりも高く、即ち２０％≦Ｖ2 ≦６０％に設定すると、その摩擦層に十分な量の気孔を持たせ、これにより、気孔を介しての流体潤滑から境界潤滑への移行を速やかに行って良好な動摩擦特性を得ることができる。またクラッチディスクが潤滑油により十分に冷却されるので、その耐久性を向上させることが可能となる。
【０００９】
ただし、気孔率Ｖ2 がＶ2 ＞６０％では、良好な初期値が得られるものの、炭素繊維とマトリックスとの接合強度が低いため耐摩耗性が悪化し、耐久性が大幅に劣化する。一方、Ｖ2 ＜２０％では前記従来例について述べた場合と同様の問題を生じる。
【００１０】
本発明は、前記のような構成を持つクラッチディスクを量産することが可能な前記製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
前記目的を達成するために、請求項２の発明によれば、請求項１に記載の湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクを製造するに当り、炭素繊維群および粉末状炭素前駆体を含むディスク状本体用第１成形材料を用いてプリフォームを得る工程と、炭素繊維群および粉末状炭素前駆体を含む摩擦層用第２成形材料および前記プリフォームを用いて、前記ディスク状本体に対応する部分および前記摩擦層に対応する部分を備えた中間体を成形する工程と、前記中間体における前記炭素前駆体を炭化する工程と、を用いる湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクの製造方法が提供される。  前記方法によれば前記のような構成を持つクラッチディスクを量産することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１，２に示すクラッチディスク１はＣ／Ｃコンポジットより構成されて湿式摩擦クラッチ、例えば湿式多板クラッチに用いられる。そのクラッチディスク１は、多数の気孔を有する環状のディスク状本体２と、同じく多数の気孔を有しディスク状本体２の厚さ方向一方側の側面３及び他方側の側面３とそれぞれ一体で且つクラッチプレートと摺擦する一対の環状の摩擦層４とよりなる。この実施例では、ディスク状本体２と各摩擦層４とは同一の側面形状を有する。ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 と各摩擦層４の気孔率Ｖ2 との間にはＶ2 ＞Ｖ1 の関係が成立し、且つ各摩擦層４の気孔率Ｖ2 は２０％≦Ｖ2 ≦６０％に設定される。
【００１３】
前記のように構成すると、ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 を、３％≦Ｖ1 ＜２０％といったように摩擦層の気孔率Ｖ2 よりも低く設定することが可能であり、これにより、摩擦層の気孔率Ｖ2 を高く設定しながらクラッチディスク１全体の強度を容易に確保することができる。ただし、気孔率Ｖ1 がＶ1 ≧２０％ではディスク状本体２の強度が低下するため、トルク伝達に際し、スプライン歯５の歯元部６が折損するおそれがある。これを回避するためにはディスク状本体２の厚さを増すことが考えられるが、これは多板クラッチの大型化を招来するので好ましくない。一方、気孔率Ｖ1 の下限値はＶ1 ＝３％に設定される。Ｖ1 ＜３％であるディスク状本体２は製造困難であるからである。
【００１４】
一方、各摩擦層４の気孔率Ｖ2 を、２０％≦Ｖ2 ≦６０％といったように高く設定すると、その摩擦層４に十分な量の気孔を持たせ、これにより気孔を介しての流体潤滑から境界潤滑への移行を速やかに行って良好な動摩擦特性を得ることができる。またクラッチディスク１が潤滑油により十分に冷却されるので、その耐久性を向上させることが可能となる。
【００１５】
クラッチディスク１の製造に当っては次のような方法が用いられる。即ち、炭素繊維群および粉末炭素前駆体を含むディスク状本体用第１成形材料を用いてプリフォームを得る工程と、炭素繊維群および粉末状炭素前駆体を含む摩擦層用第２成形材料および前記プリフォームを用いて、ディスク状本体２に対応する部分および各摩擦層４に対応する部分を備えた中間体を成形する工程と、中間体における炭素前駆体を炭化してＣ／Ｃコンポジットを得る工程と、Ｃ／Ｃコンポジットに機械加工を施す工程とを用いるものである。その機械加工により、クラッチディスク１の環状形態およびスプライン歯５が得られるが、中間体を成形する過程で、それを環状に成形すると共にそれにスプライン歯５を成形することも可能である。
【００１６】
ディスク状本体２および摩擦層４における気孔は、主として、粉末状炭素前駆体中の揮発成分が除去されることによって形成され、したがって粉末状炭素前駆体量の多い摩擦層４の気孔率Ｖ2 の方がディスク状本体２の気孔率Ｖ1 よりも大となる（Ｖ2 ＞Ｖ1 ）。
【００１７】
第１，第２成形材料において、炭素繊維としては、ピッチ系、ＰＡＮ系何れのものも使用可能である。また粉末状炭素前駆体としては、石油系および／または石炭系ピッチ粉末が用いられる。さらに両成形材料は、骨材として石油系および／または石炭系コークス粉末を含んでいてもよい。
【００１８】
両成形材料は、基本的には特開平２−８０６３９号公報および特公平４−７２７９１号公報に開示されたプリフォームドヤーンの形態をなす。プリフォームドヤーンとは、ピッチ粉末およびコークス粉末を含む炭素繊維束を熱可塑性合成樹脂よりなる柔軟なスリーブによって被覆したものである。
【００１９】
炭素繊維束としては、約０．０５〜約６００デニールのフィラメントを約５００〜約３０００００本束ねたもの、好ましくは約１０〜約３０デニールのフィラメントを約１００〜約４８０００本束ねたものが用いられる。またスリーブの肉厚は、その均一性およびプリフォームドヤーンの柔軟性を考慮すると、約５〜約１０００μｍ、好ましくは約１０〜約３０μｍである。さらにプリフォームドヤーンの直径は約０．１〜約１０mm、好ましくは、約０．５〜約５mmである。
【００２０】
スリーブを構成する熱可塑性合成樹脂は、後加工、例えばホットプレスにおける成形温度で完全に溶解するものであって、その樹脂には、例えばポリアミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド等のポリマが該当する。前記ポリアミドとしては、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロン６／６６／１２ターポリマのようなホモポリマまたはコポリマが用いられる。またポリエステルとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−２，６−ナフタレート、ポリオキシエトキシベンゾエート、全芳香族ポリエステル等のホモポリマまたはコポリマが用いられる。
【００２１】
前記プリフォームドヤーンを用いてプリフォームドシートを製造することが可能であり、その製造に当っては、比較的太いプリフォームドヤーンと、比較的細い熱可塑性合成樹脂繊維糸または比較的細い炭素繊維束とを、一方を経糸とし、他方を緯糸として製織するものである（特開平２−８０６３９号公報参照）。
【００２２】
前記熱可塑性合成樹脂繊維糸としては、前記スリーブ用構成樹脂よりなる繊維糸が用いられる。熱可塑性合成樹脂繊維糸としては、できるかぎり細いものが良く、例えば、直径がプリフォームドヤーンのそれの１／５以下のものが適当である。これにより、プリフォームドヤーンの直線性を保持してＣ／Ｃコンポジットの強度低下を回避することができる。さらにプリフォームドヤーンと熱可塑性合成樹脂繊維糸との交織割合は、通常、プリフォームドシートにおける炭素繊維含有率が約３〜７０容量％となるように設定される。
【００２３】
中間体の成形に当っては、ホットプレスが適用され、そのホットプレス条件は、例えば温度４００〜６００℃、圧力２０〜１５０kgｆ／cm2 である。
【００２４】
中間体に対する炭化処理は、その中間体をバッチ式加熱炉内に設置して、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中または真空中、温度７００〜３０００℃、時間１〜３００ｈの条件にて行われる。前記温度範囲において、７００〜１２００℃では炭素が生じ、１５００〜３０００℃では黒鉛が生じる。
〔実施例〕
Ｉ．摩擦層の摺動特性について
〔Ａ〕第１成形材料の調製
複数のディスク状本体２において、それらの気孔率Ｖ1 を一定にすべく、第１成形材料として以下に述べる一種のみを調製した。
【００２５】
直径３mmのプリフォームドヤーンを経糸とし、また直径０．０５mmのナイロン６繊維糸を緯糸としてプリフォームドシートを製織した。このプリフォームドシートは、９８重量％のプリフォームドヤーンと、２重量％のナイロン６繊維糸とより構成されていた。
【００２６】
プリフォームドヤーンの組成は次の通りであった。
【００２７】
ピッチ粉末      ３０重量％
炭素繊維束      ４８重量％
コークス粉末    ２０重量％
スリーブ          ２重量％
ピッチ粉末としては、石油系ピッチより得られたものであって、１５重量％の揮発成分と、８５重量％の固定炭素とよりなり、軟化点２７０℃、平均粒径１０μｍのものが用いられた。炭素繊維束としては、ＰＡＮ系フィラメント（東レ社製、Ｔ−３００）を１２０００本束ねたものが用いられた。コークス粉末としては、石炭系コークスから得られたものであって、揮発成分の含有量１重量％、平均粒径１０μｍのものが用いられた。スリーブとしては、ポリアミド（ナイロン６）よりなり、外径３mm、肉厚２０μｍのものが用いられた。
【００２８】
〔Ｂ〕第２成形材料の調製
複数の摩擦層４において、それらの気孔率Ｖ2 を変化させるべく、表１に示すように組成を異にする複数の第２成形材料を調製した。これらの第２成形材料は、プリフォームドヤーンをその長さ方向に沿って細断したものであって、基本的長さは１インチ（２５．４mm）に設定された。充填性を高めるべく、第２成形材料は前記のものよりも短いものを含んでいてもよい。
【００２９】
【表１】
0004163270.tif 000002
【００３０】
表１に示された各構成成分としては、第１成形材料のプリフォームドヤーンにおいて用いられたものと同様のものが用いられた。
【００３１】
〔Ｃ〕クラッチディスクの製造
（１）第１成形材料であるプリフォームドシートに切断加工を施して複数の方形板を作製し、次いで８枚の方形板を重合せて、温度５００℃、圧力５０kgｆ／cm2 の条件でホットプレスを行い、これを繰返すことによって複数のプリフォームを得た。
【００３２】
（２）第２成形材料の例１を成形板上に所定量載せ、次いでその上に前記プリフォームを載せ、さらにそのプリフォーム上に第２成形材料の例１を所定量載せた。その後、温度４８０℃、圧力４０kgｆ／cm2 の条件下でホットプレスを行い、これにより中間体の例１を得た。
【００３３】
前記プリフォームと第２成形材料の例２〜７とを用い、前記と同様の方法で中間体の例２〜７を得た。
【００３４】
（３）中間体の例１〜７を、バッチ式加熱炉内に設置して、窒素ガス雰囲気中、温度２０００℃、時間３０ｈの炭化処理を行い、これによりＣ／Ｃコンポジットの例１〜７を得た。
【００３５】
（４）Ｃ／Ｃコンポジットの例１〜７に機械加工を施して、図１，２に示した形状を持つクラッチディスク１の例１〜７を得た。このクラッチディスク１の例１〜７において、全体の厚さＴ＝３mm、ディスク状本体２の厚さＴ1 ＝２mm、各摩擦層４の厚さＴ2 ＝０．５mmであった。これらの厚さは、クラッチディスク１の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察することによって求められた。
【００３６】
〔Ｄ〕摩擦層の特性評価
（１）気孔率の測定
気孔率の測定にはトルエン法を適用した。先ず、厚さＴのクラッチディスク１全体について気孔率Ｖを測定し、次いでクラッチディスク１から厚さＴ2 の各摩擦層４を削り取り、その後、厚さＴ1 のディスク状本体２について気孔率Ｖ1 を測定した。そして、摩擦層４の気孔率Ｖ2 を次式から算出した。
【００３７】
Ｖ＝（Ｔ1 ／Ｔ）・Ｖ1 ＋（２Ｔ2 ／Ｔ）・Ｖ2 
∴Ｖ2 ＝（Ｔ・Ｖ−Ｔ1 ・Ｖ1 ）／２Ｔ2 （％）
（２）摩擦係数の測定
クラッチプレートとしてＳＰＣＣよりなるものを複数作製し、これらクラッチプレートとクラッチディスクの例１〜７とを、ＳＡＥ♯２試験機に組込んで、例１〜７の摩擦層４について、μｄ（動摩擦係数）、μｓ（静摩擦係数）、及びμｏ（見掛けの停止時の摩擦係数）を測定した。この場合、クラッチディスクの使用枚数は３枚に設定され、従ってクラッチプレートの使用枚数は４枚に設定された。μｄおよびμｏに関する測定条件は、差回転数３０００ｒｐｍ、慣性１．２４kgｆcms2、面圧１０kgｆ／cm2 に設定された。μｓの値は、差回転数が０．７ｒｐｍの低速引きずり時におけるμ値の最大値とした。
【００３８】
また摩擦特性の指標として、μｏとμｄの比μｏ／μｄを求めた。この場合、μｏ／μｄ≦１であれば、良好な摩擦特性を有する、と判断する。
【００３９】
（３）耐久試験
クラッチディスク１の例１〜７および前記クラッチプレートを慣性吸収式フルサイズ試験機に組込んで、例１〜７の摩擦層４について耐久試験を行った。この場合、クラッチディスクおよびプレートの使用枚数はそれぞれ前記同様に設定された。試験条件は、差回転数３０００ｒｐｍ、慣性１．８kgｆcms2、面圧１５kgｆ／cm2 に設定された。
【００４０】
耐久試験後、前記同様に、例１〜７の摩擦層４について、μｄ，μｓ，μｏおよびμｏ／μｄを求め、また摩耗量を測定した。この摩耗量は摩擦層４の減少厚さである。
【００４１】
（４）表２は、前記各種測定結果を示す。クラッチディスク１の例１〜７において、ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 はＶ1 ＝１０％であった。
【００４２】
【表２】
0004163270.tif 000003
【００４３】
表２から明らかなように、例２〜６の如く、摩擦層４の気孔率Ｖ2 を２０％≦Ｖ2 ≦６０％に設定すると、良好な動摩擦特性を得ると共に耐久性を向上させることができる。例１の如くＶ2 ＜２０％では、動摩擦特性が低下し、一方、例７の如くＶ2 ＞６０％では、摩耗量が多く、耐久性が低い。
【００４４】
II．ディスク状本体の気孔率について
第１成形材料に用いられるプリフォームドヤーンとして、表３に示す組成を持つ例１〜８を製造した。これらプリフォームドヤーンの直径は３mmに設定された。表３に示された各構成成分としては、前記プリフォームドヤーンにおいて用いられたものと同様のものが用いられた。
【００４５】
【表３】
0004163270.tif 000004
【００４６】
プリフォームドヤーンの例１〜８を経糸とし、また直径０．０５mmのナイロン６繊維糸を緯糸としてプリフォームドシートの例１〜８を製織した。このプリフォームドシートは、９８重量％のプリフォームドヤーンと、２重量％のナイロン６繊維糸とより構成されていた。第２成形材料として、表１の例４を選択した。
【００４７】
第１成形材料であるプリフォームドシートの例１〜８と第２成形材料の例４とを用いて、前記と同様の方法で、Ｃ／Ｃコンポジットからなる前記同様のクラッチディスク１の例１〜８を得た。これらの例１〜８において、各摩擦層４の気孔率Ｖ2 はＶ2 ＝３０％であるが、各ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 は異なる。
【００４８】
クラッチディスク１の例１〜８において、ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 を求め、また例１〜８より得られた試験片について層間剪断強度を測定した。
【００４９】
表４はクラッチディスクの例１〜８におけるディスク状本体２の気孔率Ｖ1 と層間剪断強度との関係を示す。
【００５０】
【表４】
0004163270.tif 000005
【００５１】
図３は表４をグラフ化したものである。図３から明らかなように、例１〜４の如く、ディスク状本体２の気孔率Ｖ1 をＶ1 ＜２０％に設定すると、それらディスク状本体２の強度を向上させることができる。ただし、Ｖ1 ＜３％のディスク状本体２は、前記の通り、製造困難である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクは、多数の気孔を有する環状のディスク状本体と、同じく多数の気孔を有しディスク状本体の厚さ方向一方側の側面及び他方側の側面とそれぞれ一体で且つクラッチプレートと摺擦する一対の環状摩擦層とよりなるものであって、ディスク状本体の気孔率Ｖ1 を３％≦Ｖ1 ＜２０％といったように、摩擦層の気孔率Ｖ2 よりも低く設定可能であり、これにより、摩擦層の気孔率Ｖ2 を高く設定しながらも、ディスク状本体の強度が低下してトルク伝達に際しスプライン歯の歯元部が折損することが回避され、クラッチディスク全体の強度を容易に確保することができ、しかも前記折損の回避のためにディスク状本体の厚さを増す必要がない。
【００５３】
一方、摩擦層の気孔率Ｖ2 をディスク状本体の気孔率Ｖ1 よりも高く、即ち２０％≦Ｖ2 ≦６０％に設定したので、その摩擦層に十分な量の気孔を持たせ、これにより、気孔を介しての流体潤滑から境界潤滑への移行を速やかに行って良好な動摩擦特性を得ることができ、しかもクラッチディスクが潤滑油により十分に冷却されるので、その耐久性を向上させることが可能となる。この場合、Ｖ2 ＞６０％では、炭素繊維とマトリックスとの接合強度が低くなって耐摩耗性が悪化し、耐久性が大幅に劣化するので、Ｖ2 の上限値を６０％とした。
【００５４】
以上の結果、優れた摺動特性を有する摩擦層を備え、且つトルク伝達に際し十分な強度を持つ湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクを提供することができる。
【００５５】
また請求項２の発明によれば、請求項１記載の湿式摩擦クラッチ用Ｃ／Ｃコンポジット製クラッチディスクを量産し得る製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  クラッチディスクの正面図である。
【図２】  図１の２−２線拡大断面図である。
【図３】  ディスク状本体の気孔率Ｖ1 と層間剪断強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      クラッチディスク
２      ディスク状本体
４      摩擦層
【図１】
0004163270.tif 000006
【図２】
0004163270.tif 000007
【図３】
0004163270.tif 000008