专利名称：同步环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同步环，其具有一包括一圆锥形摩擦面的金属基体和一在摩擦面上安装的由包括碳纤维的材料构成的摩擦层。
背景技术：
同步环用于机械变速器、特别是汽车变速器中，对此其必须适应在换挡过程中产生的换挡齿轮与传动轴相互间的相对速度。在这种情况下通过相应的摩擦配对间的摩擦达到同步。在用于大功率发动机的汽车的变速器中同步环由于高的摩擦载荷受到提高的磨损。这对于自动换挡的变速器同样如此，例如在货用汽车的变速器中或在客车的变速器中，其中施加高的换挡力。通常同步环由金属制成，优选由黄铜制成。为了提高受高载荷的同步环的并从而也提高变速器的使用寿命，一段时期以来采用开头所述型式的同步环，其中附加的摩擦层保护基体免受损坏。
由US 4,267,912已知一种具有摩擦层的同步环，其由用纤维素纤维加强的合成树脂构成。但不利的是，这种摩擦层在高载荷下经受不住在这种情况下存在的热条件。变速器油也不能被足够地排出，从而使摩擦配对漂起，由此减小摩擦。
为了解决该问题，按照US 4,878,282建议，摩擦层设有许多沟槽。
在US 5,615,758、US 5,842,551和US 5,998,311中为此描述一构造化的碳纤维织物及其制造。一种这样的织物在US 6,065,579中介绍用作同步环的摩擦层。通过织造过程和经纱和纬纱的排列形成一明显的具有许多峰和谷的三维的结构。为了固定用树脂浸渍该织物并紧接着使之韧化。由于三维的结构，为了冷却目的变速器油可一次流入和流出并且在挤压情况下还容易从摩擦层中被排出。但织造过程的耗费是很大的并且这样的摩擦层的制造是昂贵的。
US 4,700,823公开一种由碳纤维加强的塑料构成的摩擦层应用于离合器盘或制动盘。该摩擦层借助于较耗费的并从而昂贵的化学气相沉积法(CVD)制造。
US 5,851,588中公开一种由碳纤维加强的塑料构成的具有敞开式织造网眼的摩擦层，用于大面积的平面的摩擦应用，例如离合器或制动器，其中在这种情况下摩擦层通过液压渗透(LPI)制造。
由US 5,952,249已知一借助于LPI制造的碳纤维加强的摩擦层对大面积的平面摩擦配对的另一应用，例如在离合器或制动器的情况中。
不利的是，在高的挤压力下，正如其在同步环中由于圆锥形的并相对于离合器或制动器较小的摩擦面出现的那样，全部所述的摩擦层被压缩。由于轴向的储备位移的损失，形成缩短使用寿命或过早失效的危险。
发明内容
本发明的目的是，提供一种耐磨的同步环，其具有一由包括碳纤维的塑料构成的摩擦层，并且相对于现有技术具有改善的使用寿命并且是低费用的。
对于开头所述型式的同步环，按照本发明该目的这样来达到，即材料是一种压实的用碳纤维加强的塑料。
同步环在这里也应被理解为一外环、一内环或一中间环。这些环应用于多锥面同步中。圆锥形摩擦面的倾斜角通常在6°与10°之间。
用碳纤维加强的塑料在这里应被理解为一种材料，其包括为了加强而嵌入的碳纤维和一定分量的塑料。在本文件的意义上，材料也被理解为一种用碳纤维加强的塑料，其中碳纤维嵌入一包括一小分量的塑料和一主要分量的另一材料的材料中。
通过嵌入碳纤维，材料获得所必需的摩擦特性和所要求的耐磨性。
已惊人地显示出，一用碳纤维加强的塑料如果将其压实则提高同步环的使用寿命。可以在制造过程中或结束时实现这样的压实。按这种方式材料受到压缩，其保护它在换挡或同步过程中免受进一步压缩。因此不会由于材料被压缩而引起轴向间隙的减少。但与至今的专业领域的信念相比，这样的压实的或压缩的材料显示出没有任何由于摩擦配对的漂起而恶化其摩擦特性。已令人惊异地显示出，尽管材料压实，在摩擦层应用在同步环的圆锥形摩擦面上时仍能以足够的方式和方法从摩擦面上压走变速器油。这可迅速建立一摩擦系数。保留的纤维结构和周围材料的剩余多孔性显然对此是足够的。
有利地，摩擦层的厚度为0.2至0.6mm，其中将材料压实，使摩擦层在-10N/mm2的单位面积压力下具有少于0.015mm、优选少于0.01mm的厚度变化。
这样压实的材料在给定的摩擦层厚度时显示出特别好的和持久的摩擦特性。
该材料有利地由一碳纤维织物和一树脂制成。在此树脂应被理解为一种可硬化的塑料。通过由树脂固定的压实的织物进一步改善形状稳定性。酚醛树脂是特别适用的。但其他的耐油和耐热的树脂也是适用的。已证明有利的是，采用一单独的织物层。
制造的起点是碳纤维织物。用树脂浸渍碳纤维织物并接着加热以便硬化。在硬化过程中或以后进行材料的压实。此时对材料施加大于5巴的压力。
有利地紧接着对材料进行热处理，使一部分树脂转变成碳，此时碳处于非晶质的形式和/或作为石墨存在。此时温度处在900与1200℃之间。优选这在惰性气体气氛下实现。通过一在树脂中的碳分量改善摩擦性能。储备位移损失也变得更小。当在热处理以后通过浸渍或通过注射重新供给树脂时可以增大碳的分量，并且重复热处理的工作步骤。
已表明碳在摩擦层的使用持续时期内受到冲蚀。由此降低摩擦层的耐磨性。该问题可以有利地这样来避免，即将转变的碳最后由树脂固定。
摩擦层有利地由一耐热和耐油的胶粘剂例如酚醛树脂胶粘剂或环氧树脂胶粘剂与摩擦面粘结。胶粘剂连接于塑料或进入保留的小孔和开口内并从而持久地连接摩擦层与基体。
基体的适用的材料特别是黄铜、钢、特别是通过烧结制成的钢，或钢和黄铜的复合材料。
借助于附图将更详细地说明本发明的一个实施例。其中图1一包括一摩擦层的同步环的俯视图；图2一包括固定的摩擦层的同步环的横剖视图；图3一固定在同步环上的摩擦层的放大图。
具体实施例方式
图1示出一同步环10的俯视图，其外圆周11上具有各个轮齿12，它们设置成一机械地嵌入一变速器的换挡齿轮(Gangrad)(未示出)中的形式。在同步环10的内圆周13上有一圆锥形摩擦面9，在其上固定一摩擦层14。摩擦层14面对一未示出的摩擦配对，其具有相对于同步环10的转速。在换挡操纵时摩擦层14与摩擦配对进入接触，借此通过摩擦降低摩擦配对之间的相对速度并使它们同步。同步环10由黄铜制成。
在另一未示出的实施形式中，摩擦层14可以设置在同步环10的外圆周上而轮齿12设置在内圆周13上。
图2示出按图1包括摩擦层14的同步环10的横剖视图。所示的同步环10具有一圆锥形摩擦面9。这由不按比例的倾斜表示的内圆周13说明。摩擦面的倾斜度为8°。
同步环10的摩擦层14包括一压实的碳纤维加强的塑料并且具有0.5mm的厚度。碳纤维以织物的形式单层地加入。为了制造，碳纤维织物用酚醛树脂浸渍并进行硬化。紧接着将材料在约1100℃时在惰性气体气氛下进行热处理，使树脂的主要部分转变成非晶质的碳。
随后重新用树脂浸渍材料并重复热处理。并且此后再次用树脂进行浸渍，此时使织物固定并特别是使在树脂中产生的碳固定。
作为最后的制造步骤，将材料压实。按这种方式摩擦层14在其用于同步环10的厚度时在10N/mm的单位面积压力下具有小于0.015mm的厚度的减小。摩擦层14用酚醛树脂胶粘剂粘结到同步环的摩擦面9上。
摩擦层14需要的几何形状由材料的较大的单元(垫片)中在考虑到摩擦层14的圆锥形形状的情况下剪取。
图3中示意示出图1和2中所示的压实的摩擦层14。摩擦层14在这里以一单独的层的形式包括一碳纤维织物8。其中织物8由纤维条7织成，其包括许多碳纤维。由于再压实展平了织物峰15。但仍存在部分连续的剩余小孔16。织物8本身嵌入由树脂和非晶质的碳构成的母体(Matrix)6内。
关于材料可以采用一种织物，其例如为一斜纹织物、亚麻布平纹织物或缎纹织物的形式。
与具有较宽的连续的沟纹的斜纹织物相比，亚麻布平纹织物没有对角线连续的沟纹，而是一种具有位于上面的经纱的交织点和具有上面的纬纱的交织点的棋盘式排列。相反，具有缎纹组织的织物的特征是单独设置的交织点，从而其中也没有连续的对角的沟纹并且可以形成各个凸脊。
优选采用斜纹织物，其具有明显的沟纹结构。
斜纹组织的特征是相对于经纱和纬纱沿织物表面对角线延伸的编织线。这样制成的织物的特征是，一连续的例如对角的条纹，其包括一些较深的区域，称为沟纹或通道或凹槽，和一些升高的区域，称为凸脊。于是以有利的方式，处于形成油通道的沟纹内的油可以无阻碍地沿表面流走并因此带走摩擦热。通道式沟纹或凹槽特别是在摩擦材料固定在基底例如同步环上时可以以任何方向定位，因此也是在一非常有用的方向，油沿该方向流进和流出邻接的区域也是特别简单的。特别是通道式沟纹或凹槽可以按照一预定的油流动定位在一离合器壳体或一变速器壳体内。
在一特别优选的方案中采用单面的织物，亦即凸脊结构和沟纹结构在织物的一面比在另一面更为明显。较强构造的织物侧面于是规定作为摩擦面，而较光滑的侧面更好地适用于与基底胶接，因为其比具有沟纹和凸脊结构的表面具有更大的和更封闭的粘结表面。这样的具有一构造化的和一光滑的表面的织物的一个实例是斜纹组织式织物。
用于织物制造的纤维条7或者包括聚丙烯腈(PAN)长丝，其已经过热稳定处理，或者一由PAN长丝制成的织物在碳化以前经受热稳定处理。在热稳定过程中PAN长丝通过优选在200-400℃时空气氧化在拉伸下转化成一不能熔化的形式。为了制造上述织物，由拉伸断裂的氧化的聚丙烯腈长丝纺造的纱线已证明是特别适用的。纱线纤度处在120与170tex之间。优选采用加捻的纱线并特别优选采用这样的捻纱，其通过扭转两根反向加捻的纤维取得，或采用通过将多根捻纤维捻在一起而取得的纤维条7。该加捻的纤维条7的主要优点在于，各根长丝在压力作用下不可能并列平坦地位于平面内，因此纤维条7总是具有某一空间的结构。
在碳化过程中增加纤维条7的碳含量，并且增大碳母体在纤维条7中的扭曲度。在1000℃下的热处理导致约80％的碳含量，其在更高的温度时还要更高。
例如当在1800℃下进行热处理时就质量来说得到95％的碳含量。适用于上述的碳化温度的范围大致近似如下热处理时的温度越高，纤维的碳含量越大并且材料的热稳定性和弹性模量越高。
树脂在材料中实现多种功能。首先它用作为粘合剂，其将织物的各纤维相互粘合并且固定它们在织物中的位置。在低的树脂含量时纤维条7只由表面的树脂膜覆盖，但在较高的树脂含量时它们嵌入一厚的树脂母体内并从而也保护它们免受机械应力，例如由于摩擦引起的。此外通过添加粘合剂而在机械方面加强织物，亦即其变得更刚性并降低其可压缩性。
树脂含量有助于，即使在用树脂浸渍以后和在挤压过程以后也保持原来的织物的有利的结构。一方面树脂含量必须足够高，以便确保材料的机械稳定性和刚度，降低摩擦层14的可压缩性和降低油渗透性，另一方面树脂含量又不应如此之大，以致凸脊和沟纹结构由于被厚的树脂层完全包围而被完全弄平。
已证实，在就质量来说树脂含量在25至50％的范围内时摩擦材料即使在上述条件下挤压以后仍具有一种适用于油流动的沟纹结构。这些表面的粗糙度Rz为约30至50μm，由此本发明的摩擦材料不大易于形成流体动压油膜。其在湿摩擦元件中是不符合要求的。
摩擦层14的粗糙度Rz通过挤压过程和随着渐增的树脂含量而降低。此外，随着渐增的树脂含量，材料对空气的渗透性和小孔尺寸分布的范围减小，其中特别是损失小的小孔。由于挤压过程，小孔尺寸分布的范围也减小，其中随着渐增的树脂含量特别是封闭了属于材料微观组织的小的小孔和各长丝之间的间隙，而不怎么强地影响宏观组织。
改变材料的小孔的充填度的另一可能性在于，往树脂中添加由石墨或炭黑构成的粒子，其在碳化过程中并不收缩。
在另一有利的实施形式中，在挤压过程中可以在摩擦层14中造成一种结构或表面被构造化。
按照另一实施形式，材料的树脂成分被部分地或完全碳化，例如在惰性的气氛中在800-1500℃下通过固相热解转变为碳。由此产生一种复合材料，其母体由碳构成并用碳纤维织物加强(碳纤维加强的碳“CFC”)。在碳化过程中由于挥发性的组分的分离引起的质量损失，摩擦层收缩。
权利要求
1.一种同步环(10)，具有一包括一圆锥形摩擦面(9)的金属基体(5)和一在摩擦面(9)上安装的由一种包括碳纤维的材料构成的摩擦层(14)；其特征在于，所述材料是一种压实的用碳纤维加强的塑料。
2.按照权利要求1所述的同步环(10)，其特征在于，摩擦层(14)的厚度为0.2至0.6mm，并且用碳纤维(8)加强的塑料被压实成使摩擦层(14)在10N/mm2的单位面积压力下具有一少于0.015mm、优选少于0.01mm的厚度变化。
3.按照权利要求1或2所述的同步环(10)，其特征在于，所述材料由一碳纤维织物(8)和一树脂、特别是酚醛树脂制成。
4.按照权利要求3所述的同步环(10)，其特征在于，对所述材料进行热处理，使一树脂分量转变成碳。
5.按照权利要求4所述的同步环(10)，其特征在于，碳处于非晶质的形式和/或作为石墨存在。
6.按照权利要求4或5所述的同步环(10)，其特征在于，转变的碳由树脂固定。
7.按照权利要求1至6之一项所述的同步环(10)，其特征在于，摩擦层(14)粘结于摩擦面(9)。
8.按照权利要求1至7之一项所述的同步环(10)，其特征在于，基体(5)由黄铜、钢、特别是烧结钢，或由黄铜-钢复合材料制成。
全文摘要
公开一种同步环(10)，其具有一包括一圆锥形摩擦面(9)的基体和一在摩擦面(9)上安装的由一种包括碳纤维的材料构成的摩擦层(14)。所述材料是一种压实的用碳纤维加强的塑料。这样的同步环相对于现有技术由于改善的摩擦层的形状稳定性而具有较高的使用寿命并且是低费用的。
文档编号F16D69/02GK1826481SQ200480021307
公开日2006年8月30日 申请日期2004年7月6日 优先权日2003年7月29日
发明者M·霍尔德里德, F·格布哈特 申请人:迪尔金属合作两合公司