ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ МУФТЫ
CLUTCH FRICTION MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретением относится к фрикционному материалу, в частности к фрикционному материалу муфты для применения в автомобильной муфте или в муфте производственной установки, предназначенной для обеспечения и прекращения передачи энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области хорошо известных систем передачи энергии, в частности в области автомобильных систем передачи энергии, используется множество муфт. В последнее время, даже в гибридных электромобилях (HEV), в которых применяется комбинация бензинового двигателя и электрического мотора, муфта устанавливается между ведущим валом коробки передач и либо выходным валом электромотора, либо выходным валом двигателя. Этот тип муфты предназначен для переключения режима привода между режимом привода от мотора и режимом привода от двигателя. Дополнительно, муфта, используемая здесь, представляет собой многодисковую мокрую муфту, способную стабильно передавать энергию.
В многодисковой мокрой муфте, как описано выше, масло присутствует между составляющими элементами пути передачи энергии. Поэтому имеет место недостаток, заключающийся в ухудшении производительности, вызванном регенерацией, т.е. при использовании мотора в качестве генератора энергии для торможения. С другой стороны, присутствие масла может стабилизировать показатели передачи энергии и продлить срок службы изделия, но может оказывать отрицательное влияние на окружающую среду. Поэтому даже в гибридных электромобилях предусмотрено использование сухих многодисковых муфт без добавления масла на пути передачи энергии.
В хорошо известных сухих многодисковых муфтах фрикционная пластина имеет высокий коэффициент трения. Поэтому существует вероятность того, что когда сухая многодисковая муфта используется в гибридном электромобиле, чрезмерный крутящий момент сможет внезапно передаваться на ранней стадии зацепления муфты при переключении от режима привода от мотора на режим привода от двигателя. Также, существует вероятность того, что крутящий момент не сможет передаваться стабильно. Поэтому существует вероятность того, что будут возникать вибрации корпуса автомобиля (дрожание), вызванные скрипением (шумом) трансмиссии и/или муфты. Эти вибрации корпуса автомобиля и/или шумы передаются водителю и пассажиру и возможно заставляют их чувствовать себя некомфортно. Особенно, в отличие от автомобилей с приводом от двигателя, гибридные электромобили начинают движение тихо благодаря электромотору. Поэтому водитель и пассажир наиболее вероятно ощутят вибрации и/или шумы, как описано выше.
Оказалось, что такие вибрации и/или шумы наиболее вероятно возникают, когда система муфты находится в относительно неиспользованном состоянии или в изношенном состоянии.
Теперь, в Патентной Литературе 1 описано, что сухая многодисковая муфта используется в устройстве передачи движущей силы в гибридном электромобиле. В конструкции в соответствии с Патентной Литературой 1 передняя крышка, вмещающая устройство для передачи движущей силы, включает в себя выпускные порты для выброса порошка износа, который выбрасывается из сухой муфты, наружу.
В Патентной Литературе 2 описано, что фрикционный материал сухого типа, содержащий наполненную резину, включает в себя отверстия/пазы, выполненные в/на его поверхности напротив его фрикционной поверхности так, чтобы выпускать газ-реагент из наполненной резины.
В Патентной Литературе 3 описан фрикционный материал с улучшенной износостойкостью.
В Патентной Литературе 4 описан фрикционный материал сухого типа, демонстрирующий лучшую износостойкость при условиях вращения на высокой скорости и при высокой температуре и способный сохранять высокий коэффициент трения.
В Патентной Литературе 5 описан способ изготовления заготовки из фрикционного материала, которая обладает не худшими прочностью на разрыв, износостойкостью и работоспособностью кованного отверстия.
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Патентная Литература 1: публикация выложенной заявки на патент Японии №2013-119899;
Патентная Литература 2: публикация выложенной заявки на патент Японии №2013-44357;
Патентная Литература 3: публикация выложенной заявки на патент Японии №2004-144301;
Патентная Литература 4: публикация выложенной заявки на патент Японии №2000-256652; и
Патентная Литература 5: публикация выложенной заявки на патент Японии №2000-37797.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Как описано в Патентной Литературе 2-5, было предложено большое количество изобретений, относящихся к фрикционным материалам сухого типа и к фрикционным материалам мокрого типа. Тем не менее, в любом из изобретений предполагается увеличение срока службы и коэффициента трения фрикционного материала.
Теперь, вибрации корпуса автомобиля и/или шумы, как описано выше, являются следствием фрикционных вибраций, которые возникают на границе трения между фрикционным материалом и его противоположным элементом.
Ввиду вышесказанного, автор настоящего изобретения провел исследование фрикционного материала муфты с целью устранения недостатков в форме вибраций и/или шумов, как описано выше, и создал фрикционный материал, способный устранить недостатки известных фрикционных материалов муфты, в частности изобретение, эффективное при устранении недостатков на ранней стадии использования фрикционных материалов.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение фрикционного материала муфты, который маловероятно будет вызывать возникновение фрикционных вибраций на границе трения, и для которого стабильные фрикционные характеристики могут быть получены на ранней стадии, даже сразу после начала использования.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Фрикционный материал муфты в соответствии с одним объектом настоящего изобретения включает в себя основной материал, промежуточный слой и наружный поверхностный слой. Основной материал содержит каучуковый материал и термоотверждающуюся смолу. Промежуточный слой расположен на основном материале и включает в себя стеклоуглеродную структуру или графитовую структуру, сформировавшуюся в результате теплового отверждения термоотверждающейся смолы, содержащейся в основном материале. Наружный поверхностный слой расположен на промежуточном слое и содержит пиролизат, образованный в результате пиролиза компонентов каучука и смолы, содержащихся в основном материале.
Предпочтительно основной материал дополнительно содержит вулканизирующий компонент.
Предпочтительно основной материал дополнительно содержит упрочненное волокно и модификатор коэффициента трения.
Предпочтительно промежуточный слой имеет толщину в диапазоне от больше либо равно 1 микрона до меньше либо равно 3 микронам.
Предпочтительно наружный поверхностный слой имеет толщину в диапазон от больше либо равном 10 микрон до меньше либо равно 15 микрон.
Предпочтительно промежуточный слой и наружный поверхностный слой образовываются в результате тепловой обработки основного материала при температуре в диапазоне от больше либо 250 градусов Цельсия до меньше либо равно 295 градусов Цельсия в течение периода времени в диапазоне от больше либо равно 2 часа до меньше либо равно 10 часов.
Предпочтительно фрикционный материал муфты дополнительно включает в себя множество пазов, сформированных на одной из его поверхностей.
Предпочтительно основной материал имеет кольцевую форму с центральной осью. Более того, выполнено множество пазов, проходящих радиально относительно центральной оси.
Предпочтительно множество пазов разнесены по окружности на равные угловые интервалы.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фрикционный материал муфты в соответствии с настоящим изобретением включает в себя слой, в котором каучук и смола денатурированы нагреванием, и даже в начале использования этот слой обладает стабильными фрикционными характеристиками, подобными характеристикам фрикционного материала, который использовался в течение долгого времени. Поэтому указанный фрикционный материал муфты маловероятно будет вызывать фрикционные вибрации, и можно уменьшить возникновение шумов и дрожания муфты в результате фрикционных вибраций.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - вид спереди фрикционного материала муфты в соответствии с одним иллюстративным воплощением настоящего изобретения;
Фиг. 2 - схематичный вид в поперечном сечении фрикционного материала, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 3 - блок-схема проиллюстрированного способа изготовления фрикционного материала, показанного на Фиг. 1; и
Фиг. 4 - схема, показывающая изменения в соотношении между фрикционным материалом и ведомым диском в соответствии с иллюстративным воплощением настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Иллюстративное воплощение настоящего изобретение будет описано далее со ссылкой на прилагаемые чертежи. Данное иллюстративное воплощение предназначено лишь для объяснения настоящего изобретения, и настоящее изобретение не ограничивается иллюстративным воплощением, изображенным на чертежах и описанным в нижеприведенном подробном описании.
Фиг. 1 изображает вид спереди фрикционного материала 10 в соответствии с иллюстративным воплощением настоящего изобретения, а Фиг. 2 изображает вид в поперечном сечении фрикционного материала 10. Фрикционный материал 10 имеет кольцевую форму и включает в себя множество пазов 10а на обеих его поверхностях. Множество пазов 10а проходит радиально относительно центральной оси и разнесено по окружности на равные угловые интервалы.
Фрикционный материал 10 включает в себя основной материал 20, в качестве основы для фрикционного материала, и промежуточный слой 30, расположенный на основном материале 20, и наружный поверхностный слой 40, расположенный на промежуточном слое 30.
Основной материал 20 содержит, в качестве основного компонента, каучуковый материал, содержащий один из или комбинацию следующих материалов: бутадиенакрилонитрильный каучук (NBR) и бутадиен-стирольный каучук (SBR). Основной материал 20 дополнительно содержит добавки, такие как упрочненное волокно, термоотверждающаяся смола, модификатор коэффициента трения и вулканизирующий компонент.
В качестве упрочненного волокна может быть использован один материал или комбинация из двух или более материалов из группы, состоящей из натуральной целлюлозы, синтетических волокон, волокон с высокими эксплуатационными характеристиками (например, арамидных волокон, углеродных волокон и т.д.), стекловолокна, металлических волокон и т.д. Состояния этих волокон могут представлять собой одно или комбинацию из группы, состоящей из рубленного состояния, нитеобразного состояния, ленточного состоянии и состояния нетканой ткани. Когда эти волокна находятся в рубленом состоянии, предпочтительно, чтобы эти волокна были равномерно распределены относительно каучукового материала и добавок.
Один или комбинация из двух или более материалов из группы, состоящей из фенольной смолы, эпоксидной смолы, меламиновой смолы и фталевой смолы, может использоваться в качестве термоотверждающейся смолы.
Один или комбинация материалов из группы, состоящей из углеродных частиц (например, газовой сажи, графита и т.д.), порошка из неорганического материала (например, активированного угля, диатомита, талька и т.д.) и порошка из органического материала (например, порошок из ореха кешью), может быть использован в качестве модификатора коэффициента трения.
Основной материал 20 дополнительно содержит вулканизирующий компонент для отверждения каучукового компонента.
Как показано на блок-схеме с Фиг. 3, фрикционный материал в соответствии с иллюстративным воплощением настоящего изобретения изготавливается следующим способом.
Сначала бутадиенакрилонитрильный каучук (NBR), феноловая смола, волокна и модификатор трения перемешиваются и после этого отверждаются с помощью формования под давлением, посредством чего изготавливается основной материал 20, имеющий форму кольца. Следует отметить, что в это же время одновременно формируется множество пазов 10а. По меньшей мере, одна поверхность основного материала 20 полируется, посредством чего изготавливается фрикционный материал 10, имеющий кольцевую форму.
Фрикционный материал 10, изготовленный таким образом, загружается в печь, будучи расположенным между двумя металлическими пластинами и удерживаемым между ними. Температура в печи здесь доходит до 280 градусов Цельсия за два часа, и эта температура поддерживается в течение четырех часов. Когда температура в печи затем становится 150 градусов, фрикционный материал 10 вынимают из печи.
Фрикционный материал 10, полученный, как описано выше, был разрезан, и компоненты в его поперечном сечении были проанализированы. После чего оказалось, что два слоя, содержащих разные компоненты, сформировались на основном материале 20 фрикционного материала 10. Более точно, оказалось, что сформировались наружный поверхностный слой 40, расположенный снаружи, и промежуточный слой 30, расположенный между наружным поверхностным слоем 40 и основным материалом 20.
Наружный поверхностный слой 40 имеет толщину около 10 микрон. В результате анализа компонентов с помощью термогравиметрии – дифференциального термического анализа (ДТА) (анализ теплового поведения был произведен с помощью термогравиметрии – дифференциального термического анализа (ДТА), а анализ компонентов был произведен другим способом, например с помощью газовой масс-спектрометрии), оказалось, что в наружном поверхностном слоем 40 пиролиз произошел в части каучукового компонента, изначально содержащегося в основном материале, при этом пиролиз и тепловое отверждение произошло в части термоотверждающейся смолы.
С другой стороны, промежуточный слой 30, расположенный между наружным поверхностным слоем 40 и основным материалом 20, имеет толщину около 2 микрон. В результате анализа компонентов, оказалось, что стеклоуглеродная структура или графитовая структура сформировалась путем теплового отверждения компонента термоотверждающейся смолы, изначально содержащегося в основном материале.
В дополнение к структуре и анализу компонентов, описанным выше, Фиг. 4 изображает результат испытания, проведенного для проверки трения и вибраций фрикционного материала, прошедшего вышеуказанную термическую обработку (повторное отверждение). Как показано на Фиг. 4, оказалось следующее. На начальной фазе (а) ведомый диск 60 уничтожил наружный поверхностный слой 40 фрикционного материала 10, после чего порошок износа 50 был удален. При таких условиях начальная фаза переходит в переходную фазу. На этой переходной фазе (b) выступы ведомого диска (60) истерлись, и порошок износа 50 был удален. Когда переходная фаза переходит к стабильной фазе (с), стабильная пленка 62 формируется на ведомом диске 60, и фрикционный материал 10 по большей части изнашивается.
Более того, были проведены испытания для проверки трения и вибраций как фрикционного материала, прошедшего термическую обработку при разных условиях с использованием основного материала, имеющего такой же состав, как вышеуказанный основной материал, и фрикционного материала, не прошедшего термическую обработку (традиционный продукт). В результате подтвердилось, что подобного эффекта можно достичь при температуре нагрева в диапазоне 250-295 градусов Цельсия при времени нагрева в диапазоне 2-10 часов. Следует отметить, что когда обработка проводилась при температуре нагрева в диапазоне 250-295 градусов Цельсия при времени нагрева в диапазоне 2-10 часов, формировался промежуточный слой с толщиной в диапазоне от больше либо равно 1 микрона до меньше либо равно 3 микрон, при этом формировался наружный слой с толщиной в диапазоне от больше либо равно 10 микрон до меньше либо равно 15 микрон.
Более того, была изготовлена многодисковая муфта сухого типа, включающая в себя множество фрикционных дисков и множество ведомых дисков. Здесь каждая фрикционная пластина имеет конструкцию, в которой фрикционный материал/материалы в соответствии с настоящим изобретением, прошедшие термическую обработку, как описано выше, прикреплен/прикреплены к одной/обеим поверхностям стержня сердечника. Ведомые диски помещаются напротив фрикционных пластин с помощью промежутков. Многодисковая муфта сухого типа была установлена в гибридном автомобиле, и при этих условиях были проведены дорожные испытания. В результате оказалось, что момент, передаваемый от муфты, был довольно стабилен, и дрожание и шумы, такие как писк, не создавались в продукте, прошедшем термическую обработку, по сравнению с продуктом, не прошедшим термическую обработку.
Кроме того, множество пазов 10а сформировано на поверхности фрикционного материала 10. Поэтому порошок износа может быть эффективно удален с фрикционной поверхности к внешней границе, и, более того, устраняется торможение.
ДРУГИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
(а) Фрикционный материал в соответствии с вышеуказанным иллюстративным воплощением был описан как используемый для муфты сухого типа. Однако применение фрикционного материала не ограничивается муфтой сухого типа. Фрикционный материал также эффективно применяется к муфте мокрого типа.
(b) Фрикционный материал в соответствии с настоящим изобретением не ограничивается фрикционным материалом для многодисковой муфты сухого типа для применения в гибридном автомобиле и может быть также использован в автомобиле с приводом от двигателя и в автомобиле с приводом от электромотора.
(с) В вышеуказанном иллюстративном воплощении фрикционный материал имеет форму кольца. Однако форма фрикционного материала не ограничивается этим. Например, фрикционный материал может иметь форму сектора кольца или альтернативно может иметь прямоугольную форму и т.д. Когда фрикционный материал имеет форму сектора кольца, фрикционный материал муфты, подобный материалу из вышеуказанного иллюстративного воплощения, может быть получен путем расположения множества фрикционных материалов по кругу.
(d) В настоящем изобретении пазы не обязательно сформированы во фрикционном материале. Дополнительно, форма и расположение пазов также не ограничиваются теми, что были описаны для вышеуказанного иллюстративного воплощения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
В данном фрикционном материале муфты, даже в начале его использования, слой, в котором слои каучука и смолы денатурированы нагреванием, обладает стабильными фрикционными характеристиками, подобными характеристикам фрикционного материала, используемого в течение долгого времени. Поэтому фрикционный материал муфты маловероятно будет вызывать фрикционные вибрации, и таким образом можно снизить возникновение шумов и дрожания муфты в результате фрикционных вибраций.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 - Фрикционный материал
10А - Паз
20 - Основной материал
30 - Промежуточный слой
40 - Наружный поверхностный слой
50 - Порошок износа
60 - Ведомый диск
62 - Стабильная пленка