ES2337054T3 - Anillo sicronizador. - Google Patents

Abstract

Uso de un material compactado que comprende un tejido (8) de fibras de carbón y un plástico para un anillo sincronizador (10) con un cuerpo portante (5) de metal, que incluye una superficie de fricción cónica (9), en donde el material compactado está aplicado como una capa de fricción (14) con un espesor de 0,2 mm a 0,6 mm sobre la superficie de fricción (9) del anillo sincronizador (10) y en donde el material está tan compactado que la capa de fricción (14) presenta, a una compresión superficial de 10 N/mm2, una variación de espesor de menos 0,015 mm.

Description

Anillo sincronizador.

La invención concierne al uso de un material compactado que comprende un tejido de fibras de carbón y un plástico para un anillo sincronizador con un cuerpo portante de metal, que incluye una superficie de fricción cónica.

Los anillos sincronizadores sirven en una transmisión mecánica, especialmente en una transmisión de vehículo, para acomodar una a otra las velocidades relativas que se presenten durante un cambio de marcha entre la rueda de marcha y el árbol de la transmisión. La sincronización se logra aquí por rozamiento entre los correspondientes compañeros de fricción. En transmisiones para vehículos de alta motorización los anillos sincronizadores están sometidos a un elevado desgaste debido a la alta carga de fricción. Lo mismo rige para transmisiones automáticamente conectadas, por ejemplo en una transmisión de un vehículo industrial o en una transmisión de un automóvil de turismo, en las que se utilizan grandes fuerzas de cambio. Usualmente, se fabrican anillos sincronizadores de metal, preferiblemente de latón. Para incrementar la vida útil de anillos sincronizadores altamente cargados y, por tanto, también la de la transmisión, se utilizan desde hace algún tiempo anillos sincronizadores de la clase citada al principio, protegiendo la capa de fricción adicional al cuerpo portante contra desgaste.

Se conoce por el documento US 4,267,912 un anillo sincronizador con una capa de fricción que consiste en una resina artificial con fibras de celulosa en calidad de refuerzo. Sin embargo, desventajosamente, esta capa de fricción no aguanta a altas cargas las condiciones térmicas entonces reinantes. El aceite del engranaje no puede ser suficientemente desalojado, de modo que el compañero de fricción flota, con lo que se reduce el rozamiento.

Para resolver el problema se propone según el documento US 4,878,282 que la capa de fricción esté provista de ranuras.

En los documentos US 5,615,758, US 5,842,551 y US 5,998,311 se describen a este respecto un tejido estructurado de fibras de carbono y su fabricación. Un tejido de esta clase se ha presentado en el documento US 6,065,579 para una aplicación como capa de fricción para un anillo sincronizador. Debido al proceso de tejedura y a la disposición de hilos de urdimbre y de trama se origina una marcada estructura tridimensional con resaltos y valles. El tejido se impregna con una resina para su fijación y a continuación se le recuece. Como consecuencia de la estructura tridimensional, el aceite del engranaje puede entrar y salir para fines de refrigeración y, además, puede ser fácilmente desalojado de la capa de fricción en caso de apriete. Sin embargo, el proceso de tejedura es muy complicado y la fabricación de esta capa de fricción resulta cara.

El documento US 4,700,823 revela la aplicación de una capa de fricción constituida por un plástico reforzado con fibras de carbón para discos de embrague o de freno. La capa de fricción se fabrica por medio del procedimiento relativamente complicado y, por tanto, caro de deposición química de vapor (CVD).

En el documento US 5,851,588 se revela una capa de fricción constituida por un plástico reforzado por fibras de carbón con mallas de tejedura abiertas para aplicaciones de fricción planas de gran superficie, tales como embragues o frenos, habiéndose fabricado en este caso la capa de fricción por infiltración de líquido a presión (LPI).

Otra aplicación de una capa de fricción reforzada con fibras de carbón, fabricada por medio de LPI, para compañeros de fricción planos de gran superficie, como en el caso de un embrague o un freno, es conocida por el documento US 5,952,249.

Desventajosamente, todas las capas de fricción citadas se comprimen una contra otra a las altas fuerzas de apriete como las que se presentan en anillos sincronizadores a consecuencia de la superficie de fricción cónica y más pequeña en comparación con embragues o frenos. Debido a la pérdida de recorrido de reserva axial existe el riesgo de una vida útil acortada o de fallos prematuros.

El cometido de la presente invención consiste en proponer un uso de un material compactado que comprende un tejido de fibras de carbón y un plástico, con el que se pueda lograr un anillo sincronizador estable frente al desgaste que, en comparación con el estado de la técnica, presente una vida útil mejorada y sea barato.

Este problema se resuelve según la invención por medio de las características de la reivindicación 1.

Por anillo sincronizador se entiende aquí también un anillo exterior, un anillo interior o un anillo intermedio. Tales anillos se emplean en sincronizaciones multicono. El ángulo de inclinación de la superficie de fricción cónica está comprendido usualmente entre 6º y 10º.

Por plástico reforzado con fibras de carbón se entiende aquí un material que comprende fibras de carbón incorporadas como refuerzo y una cierta proporción de un plástico. En el sentido del presente documento, se entiende también por plástico reforzado con fibras de carbón un material en el que las fibras de carbón están incorporadas en un material con una pequeña proporción de un plástico y una proporción predominante de otro material.

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Gracias a la incorporación de las fibras de carbón, el material adquiere las propiedades de fricción necesarias y la estabilidad deseada frente al desgaste.

Sorprendentemente, se ha visto que un plástico reforzado con fibras de carbón aumenta la vida útil del anillo sincronizador cuando éste es compactado. Esto puede ocurrir durante el proceso de fabricación o al final de éste. De esta manera, el material experimenta una compresión que le protege contra una compresión adicional durante los procesos de cambio o de sincronización. Por tanto, la disminución del tamaño de la rendija axial no es fomentada por una compresión del material. Sin embargo, frente al anterior convencimiento del mundo técnico, un material compactado o comprimido de esta clase no muestra un empeoramiento de sus propiedades de fricción a consecuencia de una flotación del compañero de fricción. Curiosamente, se ha visto que, a pesar de la compactación del material cuando se aplica la capa de fricción sobre la superficie de fricción cónica del anillo sincronizador, el aceite del engranaje no puede ser expulsado de la superficie de fricción de una manera suficiente. Se produce un rápido restablecimiento del coeficiente de rozamiento. Evidentemente, son suficientes para ello las estructuras remanentes de las fibras y la porosidad residual en el material circundante.

Según la invención, el espesor de la capa de fricción va de 0,2 a 0,6 mm, estando el material tan compactado que la capa de fricción, bajo una compresión superficial con 10 N/mm, presente una variación de espesor de menos de 0,015 mm, preferiblemente de menos de 0,01 mm.

Un material tan compactado muestra, con el espesor indicado de la capa de fricción, unas propiedades de fricción especialmente buenas y duraderas.

El material se fabrica ventajosamente a partir de un tejido de fibra de carbón y una resina. Por resina se entiende aquí un plástico endurecible. Mediante el tejido compactado, que es fijado por la resina, se mejora aún más la estabilidad de forma. Especialmente adecuada es una resina fenólica. Sin embargo, son adecuadas también otras resinas estables frente al aceite y a la temperatura. Se ha visto que es favorable emplear una sola capa de tejido.

Punto de partida de la fabricación es el tejido de fibras de carbón. El tejido de fibras de carbón se impregna con la resina y a continuación se le calienta para endurecerlo. Durante el endurecimiento o después de éste se puede efectuar la compactación del material. Se puede solicitar entonces el material con presiones de más de 5 bares.

Ventajosamente, se somete a continuación el material a un tratamiento térmico de tal manera que una parte de la resina se convierta en carbono, presentándose el carbono en forma amorfa y/o como grafito. Las temperaturas están comprendidas aquí entre 900 y 1200ºC. Preferiblemente, esto se efectúa bajo atmósfera de gas inerte. Gracias a una proporción de carbono en la resina se mejora el comportamiento de fricción. También resulta menor la pérdida de recorrido de reserva. La proporción del carbono puede elevarse cuando, después del tratamiento térmico, se alimenta de nuevo resina por impregnación o por inyección y se repiten los pasos de trabajo del tratamiento térmico.

Se ha visto que el carbono es extraído por lavado durante el tiempo de utilización de la capa de fricción. La capa de fricción presenta así una reducida estabilidad frente al desgaste. Este problema puede evitarse ventajosamente fijando finalmente el carbono convertido por medio de resina.

La capa de fricción se pega con la superficie de fricción ventajosamente por medio de un pegamento estable frente a la temperatura y resistente al aceite, por ejemplo un pegamento de resina fenólica o un pegamento de resina epoxídica. El pegamento se une aquí con el plástico o penetra en los poros y aberturas remanentes y une así duraderamente la capa de fricción con el cuerpo portante.

Como material para el cuerpo portante son adecuados especialmente latón, acero, en particular acero fabricado por sinterización, o un combinado de acero y latón.

Se describe con más detalle un ejemplo de realización de la invención ayudándose de un dibujo. Muestran en éste:

La figura 1, una vista en planta de un anillo sincronizador con una capa de fricción,

La figura 2, una sección transversal a través de un anillo sincronizador con capa de fricción fijada y

La figura 3, una representación ampliada de una capa de fricción fijada a un anillo sincronizador.

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La figura 1 muestra una vista en planta de un anillo sincronizador 10 cuyo perímetro exterior 11 presenta dientes 12 en calidad de una configuración que engrana mecánicamente con una rueda de marcha (no representada) de una transmisión. En el perímetro interior 13 del anillo sincronizador 10 se encuentra una superficie de fricción cónica 9 sobre la cual está fijada una capa de fricción 14. La capa de fricción 14 está enfrente de un compañero de fricción no representado que tiene una velocidad de rotación relativa con respecto al anillo sincronizador 10. Durante la maniobra de cambio, la capa de fricción 14 entra en contacto con el compañero de fricción, con lo que se reduce por rozamiento la velocidad relativa entre los compañeros de fricción y éstos se sincronizan. El anillo sincronizador 10 está fabricado en latón.

En otra forma de realización no representada la capa de fricción 14 puede estar dispuesta en el perímetro exterior 11 del anillo sincronizador 10 y los dientes 12 pueden estar dispuestos en el perímetro interior 13.

La figura 2 muestra una sección transversal a través del anillo sincronizador 10 según la figura 1 con la capa de fricción 14. El anillo sincronizador 10 representado tiene una superficie de fricción cónica 9. Esto se ha insinuado por medio del perímetro interior 13 dibujado en posición inclinada y no a escala fiel. La inclinación de la superficie de fricción asciende a 8º.

La capa de fricción 14 del anillo sincronizador 10 comprende un plástico compactado reforzado con fibras de carbón y presenta un espesor de 0,5 mm. Las fibras de carbón están incorporadas como una capa en forma de un tejido. Para la fabricación se impregnó el tejido de fibras de carbón con una resina fenólica y se le endureció. Seguidamente, se realizó un tratamiento térmico del material a aproximadamente 1100ºC bajo una atmósfera de gas inerte de tal manera que la mayor parte de la resina se convirtió en carbono amorfo.

A continuación, se impregnó de nuevo el material con resina y se repitió el tratamiento térmico. Asimismo, se realizó después nuevamente una impregnación con resina, efectuándose una fijación del tejido y especialmente del carbono producido en la resina.

Como paso de fabricación final se compactó el material. De esta manera, la capa de fricción 14 con su espesor para el anillo de sincronización 10 presentaba bajo una compresión superficial de 10 N/mm una reducción de su espesor de menos de 0,015 mm. La capa de fricción 14 se pega sobre la superficie de fricción 9 del anillo sincronizador con un pegamento de resina fenólica.

La geometría necesaria de la capa de fricción 14 fue obtenida por corte a partir de una unidad mayor (esterilla) del material teniendo en cuenta la forma cónica de la superficie de fricción (14).

En la figura 3 se representa esquemáticamente la capa de fricción compactada 14 mostrada en las figuras 1 y 2. La capa de fricción 14 comprende aquí un tejido 8 de fibras de carbón en una sola capa. El tejido 8 se ha tejido en este caso con hebras de fibras 7 que comprenden una pluralidad de fibras de carbón. Como consecuencia de la compactación ulterior, las crestas 15 del tejido están aplanadas. Sin embargo, se presentan en parte poros residuales pasantes 16. El propio tejido 8 está incrustado en una matriz 6 de resina y carbono amorfo.

Para el material se emplea un tejido que se presenta, por ejemplo, en forma de un tejido tipo sarga, tafetán o raso.

En comparación con un tejido tipo sarga con estrías continuas relativamente anchas, un tejido de ligamento tafetán no presenta estrías diagonales, sino una disposición de puntos de ligamento a manera de tablero de ajedrez con hilos de urdimbre situados arriba y puntos de ligamento con hilos de trama situados arriba. Por el contrario, los tejidos con ligamento satén o ligamento raso se caracterizan por puntos de ligadura aisladamente situados, de modo que no se pueden formar aquí tampoco estrías y aristas diagonales continuas.

Se emplea preferiblemente un tejido tipo sarga que presenta una marcada estructura de acanaladuras.

Características del ligamento sarga son líneas de ligamento que discurren diagonalmente con respecto a los hilos de urdimbre y de trama por toda la superficie del tejido. Los tejidos así fabricados se caracterizan por un listado continuo, por ejemplo diagonal, a base de zonas situadas más bajas, que se denominan estrías o depresiones a manera de canales, y zonas realzadas que se denominan aristas. De manera ventajosa, el aceite contenido entonces en las estrías que forman canales de aceite puede salir sin impedimentos a lo largo de la superficie y, como consecuencia, puede evacuar calor de rozamiento. Las estrías o depresiones a manera de canales pueden ser orientadas en cualquier dirección, especialmente al fijar el material de fricción sobre el substrato, por ejemplo un anillo sincronizador, y, en consecuencia, pueden ser orientadas también en una dirección óptima en la que sean especialmente sencillas una alimentación y evacuación de aceite a y desde zonas contiguas. En particular, las estrías o depresiones a manera de canales pueden ser orientadas según un flujo de aceite prefijado dentro de una caja de embrague o una caja de transmisión.

En una variante especialmente preferida se emplea un tejido de una sola cara, es decir que la estructura de aristas y estrías está más fuertemente marcada en una cara del tejido que en la otra. La cara más fuertemente estructurada del tejido se prevé entonces como superficie de fricción, mientras que la cara más lisa es más adecuada para la unión de pegadura con el substrato, ya que esta cara presenta una superficie de adherencia más grande y más cerrada que la superficie con la estructura de estrías y aristas. Un ejemplo de un tejido de esta clase con una superficie estructurada y una superficie lisa es un tejido con la clase de ligamento sarga.

Las hebras de fibras 7 para la fabricación del tejido consisten en hilos de poliacrilonitrilo (PAN) que ya han sido estabilizados térmicamente, o un tejido de hilos de PAN es sometido a una estabilización térmica antes de la carbonización. En la estabilización térmica se transfieren los hilos de PAN a una forma no fusible por oxidación con aire a, preferiblemente, 200-400ºC bajo estiramiento. Para la fabricación del tejido antes citado han demostrado ser especialmente adecuados unos hilados obtenidos a partir de hilos de poliacrilonitrilo oxidados y rotos por estirado. El título de los hilados está entre 120 y 170 tex. Preferiblemente, se emplean hilados retorcidos y de manera especialmente preferida hilos torcidos que se obtienen por torsión de dos fibras retorcidas en sentidos contrarios, o hebras de fibras 7 obtenidas por torsión conjunta de varias fibras torcidas. Una ventaja esencial de estas hebras de fibras torcidas 7 consiste en que los distintos hilos no se pueden colocar uno junto a otro en un mismo plano bajo la acción de la presión, es decir que las hebras de fibras 7 presentan siempre cierta estructura volumétrica.

Durante la carbonización aumenta el contenido de carbono de las hebras de fibras 7 y se incrementa el grado de estiraje de la matriz de carbono en las hebras de fibras 7. El recocido a 1000ºC conduce a un contenido de carbono de aproximadamente un 80%, el cual se hace aún mayor a temperatura más alta.

Por ejemplo, se obtiene un contenido de carbono de 95%, referido a la masa, cuando el recocido se efectúa a 1800ºC. Para el intervalo antes citado de temperaturas de carbonización se cumple en aproximación basta: Cuanto mayor sea la temperatura durante el recocido tanto mayor será el contenido de carbono de las fibras y tanto más alto serán la estabilidad térmica y el módulo de elasticidad del material.

La resina cumple varias funciones en el material. En primer lugar, actúa como un aglutinante que aglutina las fibras del tejido una contra otra y las fija en su posición dentro del tejido. A bajos contenidos de resina, las hebras de fibras 7 están recubiertas solamente con una película de resina superficial, mientras que a contenidos de resina más altos están incrustadas en una gruesa matriz de resina y, por tanto, están protegidas también contra esfuerzos mecánicos, por ejemplo por rozamiento. Además mediante el aditivo aglutinante se refuerza mecánicamente el tejido, es decir que éste se hace más rígido y se reduce su compresibilidad.

El contenido de resina contribuye a que se conserve la ventajosa estructura del tejido original incluso después de la impregnación con resina y después del proceso de prensado. Por un lado, el contenido de resina tiene que ser suficientemente alto para garantizar la estabilidad mecánica y la rigidez del material, rebajar la compresibilidad y reducir la permeabilidad al aceite de la capa de fricción 14, y, por otro lado, el contenido de resina no deberá ser tan grande que se aplane completamente la estructura de aristas y estrías por confinamiento completo con una capa gruesa de resina.

Se ha comprobado que con una proporción de resina en el intervalo de 25 a 50%, referido a la masa, los materiales de fricción siguen presentando también después del prensado en las condiciones antes citadas una estructura de estrías adecuada para el flujo del aceite. Las asperezas R_{z} de estas superficies son de aproximadamente 30 a 50 \mum, con lo que el material de fricción según la invención tiene poca tendencia a la formación de películas hidrodinámicas que son poco deseables en elementos de fricción en húmedo.

La aspereza R_{z} de la capa de fricción 14 disminuye por efecto del proceso de prensado y al aumentar el contenido de resina. Además, al aumentar el contenido de resina se reducen la permeabilidad del material para el aire y la amplitud de distribución de los tamaños de los poros, yendo esto especialmente a costa de los poros pequeños. Como resultado del proceso de prensado, se reduce también la amplitud de distribución de los tamaños de los poros, cerrándose especialmente, al aumentar el contenido de resina, los poros y espacios intermedios pequeños - pertenecientes a la microtextura del material - entre los distintos hilos, mientras que se perjudica la macrotextura en menor medida.

Otra posibilidad de variar el grado de relleno de los poros del material consiste en añadir a la resina partículas de grafito o negro de carbono que no se contraigan durante la carbonización.

En otra forma de realización ventajosa se ha podido estampar una estructura en la capa de fricción 14 durante el prensado o se ha podido estructurar la superficie.

Según otra forma de realización, se carboniza parcial o completamente la porción de resina del material, transformándola en carbono, por ejemplo mediante una pirólisis de fase sólida en atmósfera inerte a 800-1500ºC. Resulta así un material compuesto cuya matriz consiste en carbono y la cual es reforzada con un tejido de fibras de carbono (carbono reforzado con fibras de carbono "CFC"). Durante la carbonización se contrae la capa de resina a consecuencia de la pérdida de masa originada por el desprendimiento de constituyentes volátiles.

Claims (5)

1. Uso de un material compactado que comprende un tejido (8) de fibras de carbón y un plástico para un anillo sincronizador (10) con un cuerpo portante (5) de metal, que incluye una superficie de fricción cónica (9), en donde el material compactado está aplicado como una capa de fricción (14) con un espesor de 0,2 mm a 0,6 mm sobre la superficie de fricción (9) del anillo sincronizador (10) y en donde el material está tan compactado que la capa de fricción (14) presenta, a una compresión superficial de 10 N/mm^{2}, una variación de espesor de menos 0,015 mm.

2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado porque el material está tan compactado que la capa de fricción (14) presenta, a una compresión superficial de 10 N/mm^{2}, una variación de espesor de menos 0,01 mm.

3. Uso según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el material se ha fabricado a partir del tejido (8) de fibras de carbón y una resina, especialmente una resina fenólica.

4. Uso según la reivindicación 3, caracterizado porque el material ha sido tratado térmicamente de tal manera que una porción de la resina se ha convertido en carbono.

5. Uso según la reivindicación 4, caracterizado porque el carbono se presenta en forma amorfa y/o como grafito.