DE102006019253A1

DE102006019253A1 - Friction lining for e.g. friction clutch in motor vehicle, has lining in active connection with counter friction surface and friction effect is optimized by predetermined assembly and materials

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Publication number: DE102006019253A1
Application number: DE200610019253
Authority: DE
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Buehl Verwaltungs GmbH; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-31

Abstract

The friction lining has friction clutch arranged between drive unit and gearbox input shaft. The friction lining is in active connection with a counter friction surface and the friction effect is optimized by a predetermined assembly and materials. The lining has small heat conductivity of the lining leads to the fact that the surface is damaged, if the energy input interrupted on time.

Description

Leistungsfähigere Motoren, längere Übersetzungen und neue Lebensdauervorgaben waren Anlass zur Entwicklung und Einführung aufwändiger Kupplungskonzepte. Neben weiteren wichtigen Bauteilen ist der Kupplungsbelag ein Kernstück der Kupplung. Blickt man auf die Geschichte des Kupplungsbelags zurück erkennt man, dass der technische Fortschritt der Kupplung sich nur wenig auf die Technologie des Kupplungsbelags ausgewirkt hat Mit den ersten Kraftfahrzeugen wurden die ersten trockenlaufenden Kupplungen eingesetzt. Als Reibmaterial dienten Beläge aus Buchen- oder Eichenholz. Mit der Erfindung des Phenolharzes zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde der Grundstein für die heute übliche Belag-Technologie gelegt. Rasch erkannte und nutzte man die Vorteile der Phenolharze als Bindemittel für Brems- und Kupplungsbeläge. Erstmals konnten Teile aus einer leicht formbaren Masse hergestellt werden, die nach entsprechender Aushärtung auch unter großer Hitze hart blieben.More powerful engines, longer translations and new service life specifications gave rise to the development and introduction of elaborate coupling concepts. In addition to other important components, the clutch lining is a key part of the clutch. Looking back on the history of the clutch lining recognizes one, that the technical progress of the coupling is only a little On the technology of the clutch lining has impacted with the first Motor vehicles were the first dry-running clutches used. As a friction material used pads made of beech or oak wood. With the invention of the phenolic resin At the beginning of the twentieth century, the foundation was laid for today's surfacing technology placed. Quickly recognized and used the advantages of phenolic resins as a binder for Brake and clutch linings. For the first time, parts could be made from an easily malleable mass are, after appropriate curing even under high heat stayed hard.

Seit 1930 werden Kupplungsbeläge wie wir sie heute kennen hergestellt. Bereits in den 30er Jahren erfolgten umfangreiche Materialprüfungen an Kupplungsbelägen auf Schwungmassen-Prüfständen bis über 400°C. Vollsynthetische, härtbare Kunststoffe mit hochwertigen Endeigenschaften, die rationell verarbeitet werden können bilden noch heute die Basis der Kupplungsbeläge.since 1930 become clutch linings produced as we know it today. Already in the 30s Extensive material tests on clutch linings were carried out Flywheel test stands up to over 400 ° C. Fully synthetic, hardenable plastics with high-quality end properties that are processed efficiently can still today form the basis of the clutch linings.

Wenn, wie in vielen anderen Fällen, konventionelle Technologien an ihre Grenzen stoßen, müssen neue Ansätze gefunden werden diese Grenzen zu überwinden. Der nachfolgende Beitrag zeigt das Anforderungsprofil sowie die Grenzen des aktuellen Stands der Technik und gibt einen Einblick in die Zukunft des Kupplungsbelags.If, as in many other cases, Conventional technologies reach their limits, new approaches must be found will overcome these limits. The following article shows the requirement profile as well as the Limits of the current state of the art and gives an insight into the future of the clutch lining.

Aktuelle aufwändige Kupplungskonstruktionen erlauben, dass eine Kupplung heute ein ganzes Fahrzeugleben lang halten kann. Damit dies in der Tat auch geschieht muss der Belag alle Situationen mit erhöhter Belastung ohne wesentliche Herabsetzung der Lebensdauer meistern.current complex Clutch designs allow a clutch today a whole vehicle life can hold long. In order for this indeed to happen, the Covering all situations with increased Master the load without significantly reducing the service life.

Kurzzeitige hohe Belastungen müssen vom Belag so überstanden werden, dass Reibeigenschaften, Strukturfestigkeit und Restlebensdauer möglichst wenig verändert werden. Je höher die Temperaturbeständigkeit ist desto größer ist auch die Betriebssicherheit des Belags. Parallel nimmt die Leistungsdichte für die Beläge aufgrund stärkerer Motoren bei wenig veränderten Bauraumverhältnissen sukzessive zu.short-term high loads must from the surface so over be that friction properties, structural strength and residual life preferably little changed become. The higher the temperature resistance is the bigger also the operational safety of the covering. Parallel increases the power density for the coverings due to stronger Engines changed little Space requirements successively to.

Stand der Technik sind für trockenlaufende Kupplungen Beläge mit einem organischen Grundwerkstoff, einem Duroplast/Elastomer-Materialverbund, der ab 320°C seinen chemischen Aufbau deutlich verändert und sich ab 450°C gänzlich zersetzt. Daraus erklärt sich, dass der Verschleißverlauf eines Belages eine Funktion der Temperatur darstellt und exponentiell mit der Temperatur ansteigt.was standing the technology is for dry running couplings coverings with an organic base material, a duroplastic / elastomer composite material, from 320 ° C changed its chemical structure significantly and decomposed completely from 450 ° C. from that explained itself, that the wear history of a coating is a function of temperature and exponential increases with the temperature.

Das Verschleißverhalten des Belags ist wesentlich vom im Fahrzeugbetrieb stark schwankenden Temperaturniveau, der Reibleistung und der spezifischen Flächenpressung abhängig.The wear behavior The deposit is significantly different from that in vehicle operation Temperature level, the friction loss and the specific surface pressure dependent.

Der überwiegende Teil der Laufstrecke wird bei Temperaturen unter 100°C zurückgelegt, während Spitzenbelastungen zu über 400°C führen können. Die Verschleißrate steigt dabei um Größenordnungen an. Ein guter Belag hat bei einer breiten Gewichtung der Zeitanteile der unterschiedlichen Temperaturen eine geringe Verschleißrate.The predominant Part of the course is covered at temperatures below 100 ° C, while Peak loads too over 400 ° C can lead. The wear rate increases by orders of magnitude at. A good surface has a large weighting of the time shares the different temperatures a low wear rate.

Hohe Anpresskräfte bei mittleren Kupplungsgrößen führen zu Kupplungen mit hoher Leistungsdichte, was zu einer hohen spezifische Flächenpressung der Beläge führt.Height contact forces at medium clutch sizes lead to Couplings with high power density, resulting in a high specific surface pressure the pads leads.

Bei hoher Reibleistung steigt die Reibflächentemperatur schnell auf Werte die ausreichen den Grundwerkstoff zu schädigen und der Reibungskoeffizient sinkt schnell ab. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Belags führt dazu, dass zunächst nur die Oberfläche geschädigt wird, sofern die Energiezufuhr rechtzeitig unterbrochen wird.at high friction power, the friction surface temperature rises quickly Values sufficient to damage the base material and the coefficient of friction sinks quickly. The low thermal conductivity leads the pavement to that first only the surface damaged if the energy supply is interrupted in good time.

Grundsätzlich können nur solche Beläge verwendet werden, die durch ihren Reibwertverlauf über der Schlupfdrehzahl zur Dämpfung von Triebstrangschwingungen beitragen und so Rupfen vermeiden. Rupfen war in der Vergangenheit eines der größten kupplungsbezogenen Qualitätsprobleme. Von Rupfen spricht man, wenn die erste Eigenfrequenz des Antriebsstrangs so stark angeregt wird, dass Längsschwingungen des Fahrzeugs fühlbar werden. Auch vermeintlich unempfindliche Fahrzeuge mit überdurchschnittlicher Triebstrangdämpfung sind in Randbereichen des Gebrauchsspektrums anfällig für Rupfen.Basically, only such coverings be used by their friction coefficient over the Slip speed for damping Contribute to drive train vibrations and thus avoid picking. pluck has been one of the biggest clutch related quality issues in the past. By plucking one speaks, if the first natural frequency of the drive train so strongly excited is that longitudinal vibrations be felt of the vehicle. Also supposedly insensitive vehicles with above-average driveline damping are in rims of the range of use susceptible to plucking.

Im Gebrauch sind Beläge einem breiten Spektrum von Fliehkraft und Temperatur ausgesetzt (1). Für eine unter allen Umständen funktionierende Kupplung bedarf es einer hohen Formstabilität des Belags. Hoch drehende Motoren und Getriebe mit großer Spreizung führen zu hohen Anforderungen an die Drehzahlfestigkeit.In use, coverings are exposed to a wide range of centrifugal force and temperature ( 1 ). For a working under all circumstances clutch requires a high dimensional stability of the pad. High-speed motors and gearboxes with large spread lead to high demands on speed stability.

Die Drehzahlfestigkeit, und damit die Zugfestigkeit des Belagwerkstoffs, ist ein wichtiges Kriterium für die Anforderungen an einen Kupplungsbelag. Sie muss die maximale Motordrehzahl deutlich übersteigen, da Fehler beim Schalten in Verbindung mit einer leistungsfähigen Getriebesynchronisierung zu sehr hohen Drehzahlen der Kupplungsscheibe führen. Eine hohe thermische Belastung kann die Festigkeit des Belags dauerhaft deutlich reduzieren. Daher müssen moderne Beläge auch nach Erreichen der thermischen Belastungsgrenze eine hohe Festigkeit aufweisen.The speed resistance, and thus the tensile strength of the lining material, is an important criterion for the requirements of a clutch lining. It must exceed the maximum engine speed significantly, because errors in shifting in conjunction with a powerful transmission synchronization too much lead high speeds of the clutch disc. A high thermal load can permanently reduce the strength of the coating permanently. Therefore, modern coverings must have a high strength even after reaching the thermal load limit.

Das von der Kupplung übertragene Moment ergibt sich aus Anpresskraft und Reibwert. Je höher der Reibwert ist desto geringer sind die notwendigen Kräfte in der Kupplung wie im Betätigungssystem. Ziel der Belagentwicklung ist es daher ein möglichst hohes Reibwertniveau bei vertretbaren anderen Eigenschaften zu erreichen. Theoretisch sind Reibwerte zwischen 0,1 (Gleitlager) und 1,0 (Reifen) möglich. Gleichzeitig ist es wichtig, ein möglichst konstantes Reibwertniveau zu erreichen. Unter Berücksichtigung aller Belageigenschaften sind derzeit Reibwertuntergrenzen von etwa 0,2 darstellbar.The transmitted from the clutch Moment results from contact force and coefficient of friction. The higher the The coefficient of friction is the lower are the necessary forces in the Clutch as in the actuation system. aim It is therefore the highest possible coefficient of friction for the lining development to reach at reasonable other properties. Theoretically Friction values between 0.1 (plain bearings) and 1.0 (tires) are possible. simultaneously It is important to one as possible constant friction level to achieve. Considering All coating properties are currently friction coefficient lower limits of about 0.2 representable.

Die Verschleißreserve der Beläge beträgt zusammen nur wenige Millimeter und damit nur etwa ein Drittel der Belagdicke. Der überwiegende Teil der Belagdicke wird benötigt um die Beläge zu befestigen.The wear reserve the pads is together only a few millimeters and thus only about a third of the Lining thickness. The predominant Part of the lining thickness is needed around the pads to fix.

Eine gute Schaltbarkeit des Getriebes erfordert eine geringe Massenträgheit der Kupplungsscheibe und damit der Beläge. Ziel ist damit Volumen und spezifisches Gewicht der Beläge so gering wie möglich zu halten.A good switchability of the transmission requires a low inertia of the Clutch disc and thus the pads. The goal is thus volume and specific weight of the coverings as low as possible to keep.

Betrachtet man eine Großserienfertigung so gibt es zwei Treiber welche die Kosten des Belags maßgeblich bestimmen: Materialaufwand und Bearbeitungsaufwand. Genau genommen muss man allerdings zwei weitere Kostentreiber betrachten: konstruktiver Aufwand für die Kupplung und Gewährleistungskosten, welche durch die Belageigenschaften maßgeblich beeinflusst werden.considered a mass production So there are two drivers which the cost of the covering relevant determine: cost of materials and processing costs. Strictly speaking But you have to look at two more cost drivers: more constructive Effort for the coupling and warranty costs, which are significantly influenced by the coating properties.

Organisch gebundene Reibbeläge stellen einen befriedigenden Kompromiss in Bezug auf die geforderten Eigenschaften dar. Einen Kompromiss deshalb, da sich einige tribologische und Formteileigenschaften diametral gegenüberstehen. Zudem bestehen zwischen allen von einem Reibbelag geforderten Eigenschaften Wechselwirkungen. Das heißt mit anderen Worten, dass bei der Optimierung einer Eigenschaft alle anderen mit verändert werden können.Organic bonded friction linings make a satisfactory compromise in terms of the required A compromise therefore, since some tribological and molding properties are diametrically opposed. There are also between all properties required by a friction lining interactions. This means in other words, that when optimizing a property all others with changed can be.

Die makroskopischen Eigenschaften eines Belages sind das Ergebnis des Zusammenwirkens seiner Inhaltsstoffe. Eine Kupplungsbelagrezeptur enthält bis zu 25 verschiedene Rohstoffe. Dieses Vielstoffsystem erweitert die Zahl der auf die Belageigenschaften Einfluß nehmenden Parameter um ein Vielfaches.The macroscopic properties of a coating are the result of the Interacting with its ingredients. A clutch lining recipe contains up to 25 different raw materials. This multi-fuel system extends the Number of parameters influencing the coating properties many times over.

Die große Anzahl dieser Inhaltsstoffe und die Anzahl möglicher Wechselwirkungen erfordern zur systematischen Arbeit eine Vielzahl von Versuchen.The size Number of these ingredients and the number of possible interactions require for systematic work a variety of experiments.

Für normale Beanspruchungen stehen, neben der Einhaltung einiger Grundvoraussetzungen, die Kosten im Vordergrund. Stand der Technik sind Beläge, die aus einem gewickelten Verbund von in Harze getränktem Garn hergestellt werden (2).For normal loads, the costs are in the foreground next to the compliance with some basic requirements. The prior art are coverings which are produced from a wound composite of resin-soaked yarn ( 2 ).

Entwicklungsziel ist einen ausgewogenen Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen an den Belag darzustellen.development goal is a balanced compromise between the different requirements to represent the covering.

Das Ergebnis der Belagentwicklung ist ein ausgewogener Kompromiss aller technischen Eigenschaften des Belags. Um weitere Freiheitsgrade bei der Entwicklung von Kupplungsbelägen zu erlangen, kann ein Belag aus zwei Funktionsbereichen dargestellt werden.The The result of the pad development is a balanced compromise of all technical characteristics of the flooring. For more degrees of freedom In the development of clutch linings, a coating can be represented from two functional areas.

Die Unterkonstruktion (Underlayer) des Belags bildet die Basis für Formstabilität und Festigkeit und wird diesbezüglich optimiert. Die dem Reibpartner zugewandte obere Schicht kann gezielt bezüglich Verschleiß und Reibwertverhalten tribologisch optimiert werden (3).The substructure (underlayer) of the covering forms the basis for dimensional stability and strength and is optimized in this regard. The upper layer facing the friction partner can be optimized tribologically in terms of wear and friction coefficient behavior ( 3 ).

In einer speziellen Ausführungsform kann das in der Unterkonstruktion verwendete Garn bis zu 100% Glasfasergarn sein und für hohe Festigkeit sorgen.In a special embodiment The yarn used in the substructure can be up to 100% fiberglass yarn be and for provide high strength.

In einer weiteren Ausführungsform kann das in der Reibschicht verwendete Garn 50% Glasfasergarn und 50% gecardetes Garn mit Aramid sein.In a further embodiment For example, the yarn used in the friction layer may be 50% glass fiber yarn and Be 50% carded yarn with aramid.

Die Festigkeit und das Verschleißverhalten wird maßgeblich von den verwendeten Faserarten beeinflusst. Ober- und Unterkonstruktion unterscheiden sich daher in der Faserstruktur, den Garnarten, während das gleiche Bindemittel mit den gleichen Füllstoffen verwendet wird. Das Durchmischen entlang der Trennebene wird gezielt genutzt, um eine optimale Verbindung sicher zu stellen.The Strength and wear behavior is decisively influenced by the types of fiber used. Top and substructure therefore differ in the fiber structure, the yarn types, while the same binder is used with the same fillers. The Mixing along the parting line is used selectively to achieve optimal Secure connection.

Der Belag erreicht mit dieser Technologie überlegene Festigkeitswerte, auch nach dauerhafter hoher thermischer Belastung, bei gleichzeitig sehr guten tribologischen Eigenschaften.Of the Covering achieves superior strength values with this technology even after permanent high thermal load, at the same time very good tribological properties.

Der massegepresste und organisch gebundene Kupplungsbelag ist chemisch gesehen gleich aufgebaut wie der gewickelte Kupplungsbelag. Es gibt zwei prinzipbedingte Unterschiede. Die Verstärkungsfasern werden ungerichtet als untergemischte Stapelfasern in den Belag eingebracht statt gerichtet in Form von Garnen. Ferner besteht das Duroplast-Elastomer-Compound aus einer trockenen Pulvermischung statt aus einer flüssigen Lösung. Ein Stahlblech im Belag stellt die Formstabilität und die Festigkeit sicher.The mass-pressed and organically bonded clutch lining is chemically the same structure as the wound clutch lining. There are two principle differences. The reinforcing fibers are introduced undirected as mixed staple fibers into the coating instead of being oriented in the form of yarns. Furthermore, the thermoset elastomer compound consists of a dry powder mixture rather than a liquid solution. A steel sheet in the lining represents the dimensional stability and the Firmness for sure.

Die hohe Leistungsdichte, besonders bei Front-Quer-Anwendungen, erfordert Kupplungen mit kompakten äußeren Abmessungen und hoher Wärmekapazität. In vielen Fällen stellt die Dicke der Anpressplatte einen Kompromiss dar zwischen notwendiger Wärmekapazität und verfügbarem Platz. Dünnere Kupplungsscheiben, und damit Beläge, tragen über dickere Anpressplatten zu einer robusteren Kupplung bei.The high power density, especially in front-to-side applications Couplings with compact outer dimensions and high heat capacity. In many make The thickness of the pressure plate is a compromise between necessary heat capacity and available space. thinner Clutch discs, and thus pads, carry over thicker pressure plates to a more robust coupling at.

Die Entwicklung des "Slim Disc" Konzepts trägt diesen Anforderungen Rechnung. "Slim Disc" verbindet die entwickelte Technologie des stahlblechverstärkten massegepressten Belags mit einem neuartigen Befestigungskonzept. Die Beläge behalten über das gesamte Temperaturspektrum ihre parallele Form. Dies wird durch die rückwärtige Laschenverbindung zwischen den Belagträgern sichergestellt.The Development of the "Slim Disc "concept carries this Requirements invoice. "Slim Disc "connects the developed technology of sheet steel reinforced pulp with a novel fastening concept. The pads retain over that entire temperature spectrum their parallel shape. This is going through the rear tab connection between the brake pads ensured.

Bei gleichbleibendem Verschleißvolumen können so etwa 2mm Bauraum gewonnen werden. Die damit möglichen dickeren Gegenreibflächen von Kupplung und Schwungrad tragen entscheidend zu einer robusteren Kupplung bei.at Consistent wear volume can do so about 2mm space can be gained. The thus possible thicker counter friction surfaces of clutch and flywheel contribute significantly to a more robust clutch at.

Mit der Entwicklung des neuen Werkstoffsystems HPF (High Performance Facing) auf der Basis eines besonders temperaturbeständigen Duroplasts und des bereits beschriebenen neuen Scheibenkonzepts ist es gelungen eine Kupplungsscheibe darzustellen, die auch bei hohen Temperaturen zuverlässig funktioniert und dabei alle anderen Anforderungen an einen Belag erfüllt.With the development of the new material system HPF (High Performance Facing) on the basis of a particularly temperature-resistant thermoset and of the already described new disc concept succeeded To represent a clutch disc, even at high temperatures works reliably and fulfills all other requirements for a covering.

Die Sprödigkeit und die Prozesstechnologie legen nahe das Belagmaterial in Belagsegmenten, sogenannten Pads, darzustellen. Wie beim "Slim Disc" Konzept wird die Formstabilität unter Temperatur durch eine Laschenverbindung erreicht und die Pads werden radial innen an der Kupplungsscheibe befestigt.The brittleness and the process technology suggest the lining material in lining segments, so-called Pads, to represent. As with the "Slim Disc" concept, the dimensional stability reached under temperature through a tab connection and the pads are attached radially inward to the clutch disc.

Neben der thermischen Optimierung der Kupplung durch eine verstärkte Anpressplatte erlaubt das HPF-Konzept ein so hohes Temperaturniveau an den Reibflächen und in der Umgebungsluft, dass andere Bauteile an Motor und Getriebe bis an ihre thermischen Grenzen belastet werden.Next the thermal optimization of the coupling through a reinforced pressure plate allows the HPF concept such a high temperature level at the friction surfaces and in the ambient air that other components on the engine and transmission be charged to their thermal limits.

Sinterwerkstoffe finden Anwendung in Traktoren und schweren Baumaschinen und werden verwendet wenn ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit und hohe Reibwerte gewünscht werden. Massive Schwächen im Anfahrkomfort und im Gegenmaterialverschleiß setzen sehr enge Grenzen für die Verwendbarkeit.Sintered Materials find application in tractors and heavy construction machinery and be used when excellent temperature resistance and high friction values required become. Massive weaknesses in starting comfort and wear of counter material set very narrow limits for the Usability.

Kohlenstoff-Faser-Compounds zeigen eine sehr interessante Eigenschaft. Der Reibwert steigt über Temperatur an, besonders oberhalb 300°C. Die Kostensituation und das Verschleißverhalten gegen herkömmliche Gegenmaterialien sind aber problematisch und daher finden Kohlenstoff-Faser-Compounds nur Anwendung im Rennsport und Flugzeugbau.Carbon fiber compounds show a very interesting property. The coefficient of friction rises above temperature on, especially above 300 ° C. The cost situation and the wear behavior against conventional Counter materials are problematic and therefore find carbon-fiber compounds only application in racing and aircraft construction.

Keramikwerkstoffe auf der Basis von Silikaten, Karbiden oder Oxiden befinden sich noch im experimentellen Stadium. Keramikwerkstoffe werden hauptsächlich ersatzweise für Gusseisen als Gegenreibflächen vorgesehen, während das verschleißende Reibelement weiter aus einem organischen Materialverbund besteht. Interessante neue Ansätze mit anorganischen Reibelementen zeigen derzeit noch zu hohen Abrasivverschleiß.Ceramics based on silicates, carbides or oxides are still in the experimental stage. Ceramic materials are mainly substituted for cast iron as Gegenreibflächen provided while the weary one Friction element further consists of an organic material composite. Interesting new approaches with inorganic friction elements currently show too high abrasion wear.

Claims

Friction lining, in particular for a friction clutch in a motor vehicle, which between the drive unit and transmission input shaft is arranged and wherein the friction lining with a Gegenreibfläche in operative connection stands and wherein the friction effect by a predetermined structure and predefined materials is optimized.