BRPI0413029B1

BRPI0413029B1 - Anel de sincronização

Info

Publication number: BRPI0413029B1
Application number: BRPI0413029-4A
Authority: BR
Inventors: Holderied Meinrad; Gebhard Friedrich
Original assignee: Diehl Metall Stiftung & Co. Kg
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2018-03-06
Also published as: JP2007500321A; JP4790610B2; US20080277234A1; DE10334895B3; AR045135A1; PL1649183T3; DE502004010591D1; KR20060123056A; EP1649183B1; ATE453811T1; ES2337054T3; US7635511B2; KR101056489B1; EP1649183A1; BRPI0413029A; WO2005019673A1; CN100410559C; CN1826481A

Abstract

"anel de sincronização". a presente invenção refere-se a um anel de sincronização (10), com um corpo de suporte (5) de metal, compreendendo uma superfície de fricção (9) cônica, e com uma camada de fricção (14) aplicada sobre a superfície de fricção (9) de um material que contém fibras de carbono. o material é um material sintético comprimido, reforçado com fibras de carbono. um anel de sincronização desse tipo apresenta, em relação ao estado da técnica, uma durabilidade maior e é econômico, em virtude da estabilidade de forma da camada de fricção aperfeiçoada.

Description

(54) Título: ANEL DE SINCRONIZAÇÃO (51) Int.CI.: F16D 23/02; F16D 69/02 (30) Prioridade Unionista: 29/07/2003 DE 103 34 895.6 (73) Titular(es): DIEHL METALL STIFTUNG & CO. KG (72) Inventor(es): MEINRAD HOLDERIED; FRIEDRICH GEBHARD

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ANEL DE SINCRONIZAÇÃO.

[001] A invenção refere-se a um anel de sincronização com um corpo de suporte de metal, compreendendo uma superfície de fricção cônica, e com uma camada de fricção aplicada sobre a superfície de fricção, de um material que contém fibras de carbono.

[002] Anéis de sincronização em uma caixa de câmbio mecânica, em particular, em uma caixa de câmbio de veículo servem para a finalidade de ajustar uma à outra as velocidades relativas que surgem durante uma troca de marcha entre a roda de marcha e o eixo da caixa de câmbio. A sincronização, nesse caso, é obtida através da fricção entre os parceiros de fricção correspondentes. Em caixas de câmbio para veículos altamente motorizados, os anéis de sincronização são submetidos a um desgaste aumentado, em virtude da alta carga de fricção. O mesmo vale para caixas de câmbio engatadas automaticamente, por exemplo, em uma caixa de câmbio de um veículo utilitário, ou em uma caixa de câmbio de um veículo automotor de passageiros, nos quais são empregadas altas forças de engate. Geralmente os anéis de sincronização são fabricados de metal, de preferência, de latão. A fim de aumentar a durabilidade de anéis de sincronização altamente solicitados e, com isso, também da caixa de câmbio, há algum tempo são empregados anéis de sincronização do tipo mencionado no início, sendo que a camada de fricção adicional protege o corpo de suporte contra o desgaste.

[003] Da patente US 4.267.912 é conhecido um anel de sincronização com uma camada de fricção, que é constituída de uma resina artificial com fibras de celulose como reforço. De forma desvantajosa, contudo em altas solicitações, essa camada de fricção não resiste às condições térmicas que reinam, então. Também o óleo da caixa de câmbio não pode ser deslocado suficientemente, de tal modo que o

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2/12 parceiro de atrito flutue, pelo que a fricção é reduzida.

[004] Para a solução do problema, de acordo com a patente US 4.878.282 é sugerido prover a camada de fricção com ranhuras.

[005] Para isso, nas patentes US 5.615.758, US 5.842.551 e US 5.998.311 é descrito, um tecido estruturado de fibra de carbono e sua fabricação. Um tecido desse tipo é apresentado na patente US 6.065.579 para um emprego como camada de fricção, para um anel de sincronização. Através do processo de tecelagem e a disposição dos fios da cadeia e de enchimento surge uma estrutura tridimensional com picos e vales. O tecido é embebido em uma resina para a fixação e, em seguida, é temperado. Em virtude da estrutura tridimensional, o óleo da caixa de câmbio pode entrar e sair por um lado, para finalidades de resfriamento e, além disso, no caso de compressão, ser facilmente deslocado da camada de fricção. Todavia o processo de tecelagem é muito dispendioso e a fabricação de uma camada de fricção desse tipo é onerosa.

[006] A patente US 4.700.823 publica o emprego de uma camada de fricção de um material plástico reforçado por fibra de carbono, para discos de embreagem ou de freio. A camada de fricção é fabricada por meio do processo relativamente dispendioso e, com isso, oneroso, de Chemical Vapor Deposition (CVD).

[007] Na patente 5.851.588 é publicada uma camada de fricção de um material plástico reforçado por fibra de carbono com malhas de tecer abertas para aplicações de fricção planas de grandes superfícies, tais como, embreagem ou freio, sendo que nesse caso, a camada de fricção é fabricada por Liquid-Pressure-Infiltration (LPI).

[008] Um outro emprego de uma camada de fricção reforçada por fibra de carbono, fabricada por meio de LPI, para parceiros de fricção planos, de grandes superfícies, como no caso de uma embreagem ou de um freio, é conhecido da patente US 5.952.249.

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3/12 [009] No caso de altas forças de compressão, como as que surgem em anéis de sincronização, em virtude da superfície de fricção cônica e menor em relação a embreagens ou freios, de forma desvantajosa todas as camadas de fricção mencionadas são prensadas juntas. Devido à perda do trajeto de reserva existe o perigo de uma durabilidade menor ou deficiência precoce.

[0010] A tarefa da presente invenção é indicar um anel de sincronização resistente ao desgaste, com uma camada de fricção de um material que contém fibras de carbono, que em relação ao estado da técnica apresente uma durabilidade aperfeiçoada e de custo vantajoso. [0011] Essa tarefa é solucionada por um anel de sincronização do tipo mencionado no início de acordo com a invenção pelo fato de que, o material é um material plástico comprimido, reforçado com fibras de carbono.

[0012] Como um anel de sincronização, nesse caso, também é entendido um anel externo, um anel interno ou um anel intermediário. Anéis desse tipo são empregados em sincronizações de vários cones. O ângulo de inclinação da superfície de fricção cônica é, em geral, entre 6°e 10°.

[0013] Como um material plástico reforçado com fibras de carbono, nesse caso, é entendido um material, que para o reforço contém fibras de carbono incluídas e uma certa cota de um material plástico. No sentido do presente documento, também é entendido como material plástico reforçado com fibras de carbono, um material no qual as fibras de carbono estão depositadas em um material com uma cota pequena de um material plástico, e uma cota preponderante de um outro material.

[0014] Por meio da inclusão das fibras de carbono o material obtém as propriedades de fricção necessárias e a resistência ao desgaste desejada.

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4/12 [0015] De modo surpreendente, tem-se mostrado que, um material plástico reforçado com fibras de carbono aumenta a durabilidade do anel de sincronização, se ele for comprimido. Isso pode ocorrer durante ou no final do processo de fabricação. Dessa forma, o material sofre uma compressão, que o protege contra outras compressões durante os processos de engate ou de sincronização. A redução da fenda axial, portanto, não é exigida por uma compressão do material. Em relação ao convencimento até o momento do meio especializado, porém, um material desse tipo condensado ou comprimido não mostra nenhuma piora de suas propriedades de fricção em consequência de uma flutuação do parceiro de fricção. Admiravelmente tem-se mostrado que, apesar da compressão do material no caso de um emprego da camada de fricção sobre a superfície de fricção cônica do anel de sincronização, o óleo da caixa de câmbio pode ser prensado para longe da superfície de fricção de forma satisfatória. Pode ocorrer uma rápida formação de coeficiente de fricção. Parece que, para isso, são suficientes as estruturas das fibras que permanecem, e a porosidade residual no material circundante.

[0016] De forma vantajosa, a espessura da camada de fricção é de 0,2 mm a 0,6 mm, sendo que, o material é comprimido de tal modo que, em uma compressão de superfície com 10 N/mm a camada de fricção apresenta uma alteração de espessura de menos que 0,015 mm, de preferência, de menos que 0,01 mm.

[0017] Um material comprimido desse modo mostra, na espessura indicada da camada de fricção, propriedades de fricção particularmente boas e de longa durabilidade.

[0018] O material, de forma vantajosa, é fabricado de um tecido de fibra de carbono e de uma resina. Como resina, nesse caso, é entendido um material plástico que pode ser endurecido. Através do tecido comprimido, que é fixado pela resina, a estabilidade de forma é aperPetição 870170083421, de 30/10/2017, pág. 8/22

5/12 feiçoada de modo considerável. É particularmente apropriada uma resina de fenol. Mas também são apropriadas outras resinas resistentes ao óleo e à temperatura. Tem-se comprovado como vantajoso empregar uma única camada de tecido.

[0019] O ponto de partida da fabricação é o tecido de fibras de carbono. O tecido de fibras de carbono é embebido em resina e, em seguida, é aquecido para o endurecimento. Durante ou depois do endurecimento, pode ocorrer a compressão do material. Nesse caso, o material pode ser admitido com pressões maiores que 5 bar.

[0020] De modo vantajoso, em seguida, o material é tratado na temperatura, de tal modo que, uma parte da resina é transformada em carbono, sendo que o carbono existe em forma amorfa e/ou como grafite. As temperaturas estão, nesse caso, entre 900 e 1200°C. De preferência, isso ocorre sob atmosfera de gás inerte. Através de uma cota de carbono na resina, o comportamento de fricção melhora. Também a perda de reserva do trajeto é pequena. A cota de carbono pode ser aumentada, se após o tratamento na temperatura, por meio de embebimento ou por meio de injeção, for alimentada resina de novo, e as etapas de trabalho do tratamento na temperatura forem repetidas. [0021] Tem-se mostrado que, o carbono é lavado ao longo da duração do emprego da camada de fricção. A camada de fricção apresenta, com isso, uma resistência reduzida ao desgaste. Esse problema pode ser evitado, de forma vantajosa, pelo fato de que, o carbono transformado é fixado finalmente através de resina.

[0022] A camada de fricção é colada com a superfície de fricção, de forma vantajosa, com um adesivo resistente à temperatura e ao óleo, por exemplo, com um adesivo de resina de fenol ou com um adesivo de resina de epóxi. O adesivo se liga, nesse caso, com o material plástico, ou penetra em poros e aberturas remanescentes, e com isso, liga a camada de fricção com o corpo de suporte de modo permanente.

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6/12 [0023] Como material para o corpo de suporte são apropriados, em particular, latão, aço, em particular, aço fabricado por sinterização, ou uma liga de aço e latão.

[0024] Um exemplo de execução da invenção será descrito, em detalhes, através de um desenho. Nele é mostrado:

[0025] Na fig. 1: uma vista de cima de um anel de sincronização com uma camada de fricção.

[0026] Na fig. 2: um corte transversal através do anel de sincronização com camada de fricção fixada.

[0027] Na fig. 3: uma representação ampliada de uma camada de fricção fixada no anel de sincronização.

[0028] A fig. 1 mostra uma vista de cima sobre um anel de sincronização 10, cuja circunferência externa 11, que apresenta dentes 12 como uma forma que engata mecanicamente em uma roda de marcha (não representada) de uma caixa de câmbio. Na circunferência interna do anel de sincronização 10 encontra-se uma superfície de fricção 9 cônica, sobre a qual está fixada uma camada de fricção 14. A camada de fricção 14 está em frente a um parceiro de atrito, não representado, que apresenta uma velocidade de rotação relativa para o anel de sincronização 10. Durante o acionamento de engate, a camada de fricção entra em contato com o parceiro de fricção, pelo que devido à fricção a velocidade relativa se reduz entre os parceiros de fricção, e esses parceiros são sincronizados. O anel de sincronização 10 é fabricado de latão.

[0029] Em uma outra forma de execução não representada, a camada de fricção 14 pode ser disposta na circunferência externa 11 do anel de sincronização 10, e os dentes 12 na circunferência interna 13. [0030] A fig. 2 mostra um corte transversal através do anel de sincronização 10 de acordo com a fig. 1, com camada de fricção 14. O anel de sincronização 10 representado apresenta uma superfície de

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7/12 fricção 9 cônica. Isto está indicado pela circunferência interna 13 não marcada inclinadamente na medida certa. A inclinação da superfície de fricção é de 8°.

[0031] A camada de fricção 14 do anel de sincronização 10 contém um material plástico reforçado com fibra de carbono, e apresenta uma espessura de 0,5 mm. As fibras de carbono são introduzidas em uma camada em forma de um tecido. Para a fabricação, o tecido de fibra de carbono foi embebido em uma resina de fenol, e endurecido.

[0032] Em seguida, o material foi tratado na temperatura a cerca de 1100°C sob atmosfera de gás inerte de tal modo que, a parte essencial da resina se transformou em carbono amorfo.

[0033] Em seguida o material foi embebido novamente em resina, e o tratamento na temperatura foi repetido. Além disso, depois, foi realizado um embeber renovado em resina, sendo que ocorreu uma fixação do tecido e, em particular, do carbono produzido na resina.

[0034] Como etapa de fabricação conclusiva, o material foi comprimido. Dessa forma, a camada de fricção 14 apresenta em sua espessura para o anel de sincronização 10, no caso de uma prensagem de superfície de 10 N/mm uma redução de sua espessura de menos que 0,015 mm. A camada de fricção 14 está colada na superfície de fricção 9 do anel de sincronização com um adesivo de resina de fenol. [0035] A geometria necessária da camada de fricção 14 foi recortada de uma unidade maior (esteira) do material levando em consideração a forma cônica da camada de fricção (14).

[0036] Na fig. 3 está representada esquematicamente a camada de fricção 14 comprimida mostrada nas figuras 1 e 2. A camada de fricção 14 compreende, nesse caso, um tecido de fibra de carbono 8 em uma única camada. O tecido 8, nesse caso, é um tecido de meadas de fibra 7, que contém uma infinidade de fibras de carbono. Como consequência da compressão posterior, os picos do tecido 15 são

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8/12 aplainados. Mas existem poros residuais 16 que podem ser atravessados parcialmente. O tecido 8 propriamente dito está alojado em uma matriz 6 de resina e carbono amorfo.

[0037] Para o material pode ser empregado um tecido, que existe, por exemplo, em forma de um tecido de sarja, de linho ou de cetim. [0038] Na comparação com tecido de sarja, com estrias estiradas relativamente largas, o tecido de coesão de linho não apresenta estrias diagonais contínuas, mas uma disposição em forma de tabuleiro de xadrez de pontos de coesão com fios da cadeia, e pontos de coesão que ficam acima, com fios de trama que ficam acima. Tecidos com coesão acetinada ou coesão de cetim, pelo contrário, são caracterizados por pontos de coesão que ficam separados, de tal modo que também nesse caso, não podem ser formadas quaisquer estrias e rebarbas diagonais contínuas.

[0039] De preferência, é empregado um tecido de sarja, que apresenta uma estrutura de estrias característica.

[0040] Característico para a coesão de k são linhas de coesão que passam acima da superfície do tecido diagonal em relação aos fios de cadeia e de trama. Tecidos fabricados dessa forma são caracterizados por uma tira contínua, por exemplo, diagonal de áreas que ficam profundas, que são designadas como estrias ou cavidades em forma de canal, e áreas aumentadas, que são designadas como rebarbas. De forma vantajosa, então, o óleo que se encontra nas estrias que se formam nos canais de óleo pode fluir sem problemas ao longo da superfície, e consequentemente transportar calor de fricção. As estrias ou cavidades em forma de canal podem ser alinhadas, em particular, durante a fixação do material de fricção no substrato, por exemplo, em um anel de sincronização em qualquer direção, consequentemente também em uma direção caracterizada, na qual é particularmente simples uma entrada e uma saída de óleo de e para as áreas adjacentes. Em

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9/12 particular, as estrias ou cavidades em forma de canal podem ser alinhadas de acordo com uma corrente de óleo predeterminada dentro de uma carcaça de embreagem ou de uma carcaça de caixa de câmbio. [0041] Em uma variante particularmente preferida é empregado um tecido de um lado, isto é, a estrutura de rebarba e de estria é estampada em um lado do tecido mais forte do que no outro. O lado do tecido estruturado mais forte, é previsto, então, como superfície de fricção, enquanto que o lado mais liso é mais apropriado para a ligação de cola com o substrato, uma vez que ele apresenta uma superfície de adesão maior e mais fechada do que a superfície com a estrutura de estria e de rebarba. Um exemplo para tecidos desse tipo, com uma superfície estruturada e uma superfície lisa é o tecido com o tipo de coesão de sarja.

[0042] As meadas de fibras 7 para a fabricação de tecido são constituídas ou de fios de poliacrílico nitrila (PAN), que já foram estabilizados termicamente, ou um tecido de fios de PAN é submetido, antes da carbonização, a uma estabilização térmica. Durante a estabilização térmica, os fios de PAN, através da oxidação do ar, de preferência, de 200 - 400°C sob alongamento são convertidos em uma forma nãofusível. Para a fabricação do tecido mencionado acima, fios fiados a partir de fios estirados de poliacrílico nitrila oxidado tem-se comprovado como particularmente apropriados. O título do fio fica entre 120 e 170 tex. De preferência, são empregados fios torcidos e de modo particularmente preferido, fios, que são obtidos pela torção de duas fibras torcidas em sentido contrário, ou por torção entre si de meadas de fibras 7 obtidas de várias fibras de fios. Uma vantagem essencial dessa meada de fibras 7 torcida consiste no fato de que, sob atuação de pressão, os fios individuais não podem ficar lisos, um ao lado do outro no plano, portanto, as meadas de fibra 7 sempre apresentam uma certa estrutura espacial.

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10/12 [0043] Durante a carbonização, aumenta o teor de carbono das meadas de fibra 7, e o grau de deformação da matriz de carbono se amplia nas meadas de fibra 7. A temperatura de têmpera a 1000°C leva a um teor de carbono de cerca de 80%, que ainda é mais alto em temperatura mais alta.

[0044] Por exemplo, é obtido um teor de carbono de 95% aplicado à massa se a têmpera ocorrer a 1800°C. Para a faixa de temperaturas de carbonização, mencionada acima, vale em aproximação grosseira: quanto mais alta a temperatura durante a têmpera, maior o teor de carbono das fibras, e mais altas são a estabilidade térmica e o módulo de elasticidade do material.

[0045] A resina preenche várias funções no material. Primeiramente ela atua como aglutinante, que liga as fibras do tecido uma à outra, e em sua posição no tecido. Em casos de teores de resina baixos, as meadas de fibra 7 são cobertas somente com uma película de resina superficial, no caso de teores de resina mais altos, todavia, são alojados em uma matriz de resina espessa e, com isso, também são protegidas contra solicitações mecânicas, por exemplo, devido à fricção. Além disso, através da adição de aglutinante o tecido é reforçado mecanicamente, isto é, ele torna-se mais rígido e sua compressibilidade se reduz.

[0046] Além disso, o teor de resina contribui para que a estrutura vantajosa do tecido original seja mantida também após embeber em resina e depois do processo de prensagem. Por um lado, o teor de resina precisa ser suficientemente alto para assegurar a estabilidade mecânica e a resistência do material, abaixar a compressibilidade e reduzir a permeabilidade ao óleo da camada de fricção 14, por outro lado, o teor de resina não pode ser tão grande de modo que a estrutura de estria e de rebarba devido ao envolvimento completo com uma camada de resina espessa seja totalmente aplainada.

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11/12 [0047] Tem-se revelado que, no caso de um teor de resina aplicado à massa na faixa de 25 a 50% os materiais de fricção, também após a prensagem sob as condições acima mencionadas ainda apresentam uma estrutura de estrias apropriada para o fluxo de óleo. As rugosidades Rz dessas superfícies chegam a cerca de 30 a 50 mm, pelo que o material de fricção de acordo com a invenção tende menos para a formação de filmes hidrodinâmicos, que são indesejados em elementos de fricção úmida.

[0048] A rugosidade Rz da camada de fricção 14 se reduz através do processo de prensagem e com o aumento do teor de resina. Além disso, com o aumento do teor de resina reduz-se a permeabilidade do material para o ar e a largura da distribuição de tamanho dos poros, sendo que isso se dá, em particular, à custa dos poros pequenos. No resultado do processo de prensagem reduz-se também a largura da distribuição de tamanho dos poros, sendo que com o aumento do teor de resina são fechados, em particular, os poros e espaços intermediários entre os fios individuais, que pertencem à microtextura do material, enquanto que a macrotextura é influenciada de modo menos acentuado.

[0049] Uma outra possibilidade de variar o grau de enchimento dos poros do material consiste em adicionar à resina partículas de grafite ou fuligem, que durante a carbonização não se retraem.

[0050] Em uma outra forma de execução vantajosa, durante a prensagem pode ser estampada uma estrutura na camada de fricção 14, ou a superfície pode ser estruturada.

[0051] De acordo com uma outra forma de execução, a cota de resina do material é carbonizada parcial ou totalmente, por exemplo, através de uma pirólise de fase fixa na atmosfera inerte a 800° 1500°C transformada em carbono. Com isso resulta um material composto cuja matriz é constituída de carbono, e reforçada com um tecido

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12/12 de fibra de carbono (carbono reforçado de fibra de carbono CFC). Durante a carbonização a camada de resina se retrai em consequência da perda de massa através da separação de componentes voláteis.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Anel de sincronização (10) com um corpo de suporte (5) de metal, com uma superfície de fricção (9) cônica, que inclui uma camada de fricção (14) aplicada sobre a superfície de fricção (9), a camada de fricção (14) compreende um material plástico comprimido reforçado com fibras de carbono (8), incluindo uma pluralidade de meadas de fibra (7) dentro de um tecido de fibra de carbono (8) os picos de tecido (15) aplainados, que são obtidos antes de aderir à superfície de fricção (9) cônica, caracterizado pelo fato de que, a espessura da camada de fricção (14) é de 0,2 mm a 0,6 mm, e é comprimida de tal modo que, sob uma compressão de superfície de 10 N/mm², a camada de fricção (14) apresenta uma alteração de espessura de menos que 0,015 mm.
2. Anel de sincronização (10) de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo fato de que, o material é fabricado de um tecido de fibra de carbono (8) e de uma resina, em particular, de uma resina de fenol.
3. Anel de sincronização (10) de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pelo fato de que, o material é tratado na temperatura de tal modo que, uma parte da resina é transformada em carbono.
4. Anel de sincronização (10) de acordo com a reivindicação

3, caracterizado pelo fato de que, o carbono está presente em forma amorfa e/ou como grafite.
5. Anel de sincronização (10) de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que, o carbono transformado é fixado através de resina.
6. Anel de sincronização (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, a camada de fricção (14) é colada com a superfície de fricção (9).
7. Anel de sincronização (10) de acordo com qualquer uma

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2/2 das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que, o corpo de suporte (5) é fabricado de um latão, de um aço, em particular, de um aço sinterizado, ou de um composto de aço e latão.

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