JPH0614572U - 摩擦係合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で高トルク容量を有し、耐久寿命の長い
摩擦係合装置を得る。 【構成】 受動板、駆動板の片面に摩擦材を設け、反対
側には、元素周期表の、チタン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族
元素、VI_B 族元素、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらの炭化物、
窒化物もくしは酸化物からなるセラミックス薄膜を形成
する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は湿式摩擦材を使用した摩擦係合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

摩擦係合装置の一例を図１に示すと、インプットシャフト６に嵌装されたハブ ５のスプライン部５１に嵌合する駆動板２と、リテーナ４のスプライン部４１に 嵌合する受動板１の接触によりトルクが伝達される。図において、３はプレッシ ャープレート、７は押し付け用のピストンである。

【０００３】 現在エネルギー問題及び環境問題から摩擦係合装置には、小型軽量であること 、作動ショックが小さいこと、ならびにトルク容量の高いことが要求され、しか もその要求は極めて大きいものである。 しかしながら従来の摩擦係合装置にあっては、作動ショック低減のため摩擦係 数の低い潤滑油が多用されるので、もし小型化すれば必然的に低トルク容量とな ってしまい、そのため作動押し力を高くしてトルク容量を大きくしているので、 湿式摩擦材の剥離寿命の低下、相手摩擦面（受動板）のヒートスポットの発生及 び熱変形、油圧ポンプの大型化、作動油の漏れなどの耐久寿命に関する問題点、 またこれらを解決するために安全率を考慮せねばならなくなり、装置自体の小型 化は、困難であった。

【０００４】 この問題を解決するために、相手摩擦面にセラミックス薄膜を単層にて形成さ せることによって、高い動摩擦係数（μｄ）及び高い静摩擦係数（μｓ）を得る ことができ、また理想的なトルク波形を経時的変化なく維持させることにより、 装置の小型化などの前記の問題点の解決が一応得られた。 しかし、現在及び将来の環境では、摩擦係合装置は、さらにきびしい条件下で 使用されつつあり、従来の技術によって摩擦面に形成された膜は、非常に高い発 熱、面圧（力）、高熱により潤滑油が分解して発生する酸性成分などによって、 クラックや剥離、脱落が発生し、安定した品質を維持することが難しい。

【０００５】 また、超硬材料である立方晶窒化ホウ素（Ｃ−ＢＮ）、立方晶ＳｉＢＮ（Ｃ− ＳｉＢＮ）あるいは立方晶ＢＣＮ（Ｃ−ＢＣＮ）を含む窒化ホウ素系膜を、母材 として摩擦面に形成する場合、ホウ素（金属ホウ素）の母材中の拡散により脆化 層が生成され、当該母材が脆くなる欠点がある。特に摩擦熱による温度上昇によ り母材へのホウ素の拡散が激しくなり、脆化層の生成が促進される。そのため同 様のクラックや剥離、脱落が発生し、安定した品質を維持することが難しい。

【０００６】 又これらのセラミックス薄膜材質は、非常に高価であるため、表面処理を施し た金属板の価格は、現状の金属板より高価なものとなり、コストアップに見合っ ただけの機能の向上が得難くなり、性能と価格が折り合わず製品化できにくい問 題が残っていた。 さらに図２は従来の受動板、駆動板の配列を示し図３はその側断面図を示すも のであるが、図２、図３に示されるように、駆動板２はその金属板９の両側面に 摩擦材８を接着し、受動板１はその金属板の両面にセラミックス薄膜を形成して いた。なお図において９１はスプラインと噛合うために母材である金属板９に設 けられたスプライン歯である。

【０００７】 しかしながら後述する如く駆動板２の両面に摩擦材を接着させる構成では種々 の不具合が生ずる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

この考案では、前記のような課題を解決するために、湿式摩擦材と鋼板、アル ミ板等の金属板とを接合させて形成した受動板及び駆動板の間の摩擦力により動 力を伝達する摩擦係合装置において、各受動板、駆動板の片面に摩擦材を設け、 反対側には元素周期表のチタン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族元素、VI_B 族元素、Ｓｉ 、Ａｌまたはそれらの炭化物、窒化物もしくは酸化物からなるセラミックス薄膜 を形成させたことを特徴とする摩擦係合装置を得たものである。

【０００９】

【作用】

図１に示す摩擦係合装置の受動板、駆動板を形成する鋼板、アルミ板等の金属 板の片面にセラミックス材料を薄膜として形成させている。（ここでは１００Å 〜数μｍ程度のものを対象としている。）形成法として、蒸着、スパッタリング 、イオンプレーティング、その他物理蒸着法又は化学蒸着法等によって行うこと ができる。

【００１０】 セラミックス薄膜を多層に形成させた摩擦面は第１に過酷使用において長期に わたり摩擦係数の変化が防止され、単層形成膜と比較すると、初期より耐久後ま で常に安定している。第２に潤滑油の熱劣化によって発生する酸性物質の攻撃に よる母材と被覆材料間の密着力低下（腐食等）を防止できる。 第３に摩擦面（多層形成膜）は、単層形成膜より母材・中間層・表層の密着力 を向上させ、高温である摩擦熱によるヒートスポットの発生等の熱変形を防止で き、クラック・剥離・脱落等の摩擦面損傷を防ぐことができる。第４はμ−ｖ特 性（滑り速度の変化に伴う摩擦係数μの変化を表す特性）がフラットもしくは右 下りになり、作動ショックに非常に有利であるばかりでなく、連続滑りに使用さ れた際にも自励振動発生を防止する。

【００１１】 第５にトルク（動摩擦係数μｄ、静摩擦係数μｓ）の絶対レベルが２０〜４０ ％向上し、クラッチの使用枚数削減・サイズの縮小が可能となる。

【００１２】

【実施例】

この考案を図について説明すれば、図４は片面のみに摩擦材を設けた受動板と 駆動板の配列図、図５はその断面図であって、受動板１、駆動板２とも、その金 属母材９の片面に摩擦材８が接着され、その反対面にはこの考案のセラミックス 薄膜が形成されている。

【００１３】 図９以下に摩擦材を片面のみに設けた場合の利点を説明する図を示し、図９は 片面のみに摩擦材を設ける金属板の熱処理炉内の配列の説明図、図１０は従来の 、駆動板の両側に摩擦材を設けた場合の受動板となる金属板の熱処理炉内の配列 の説明図であって、受動板、駆動板ともに金属板の片面のみに薄膜形成を行えば よいのであるから、図示の如く金属板ｐを背中合せにして、薄膜形成を行う面の みを露出させて均一な隙間ｃを介して炉内に配置する。図中の数字１は厚みと隙 間の寸法を示している。

【００１４】 それに対して、図１０に示す如く従来の受動板は金属板ｐの両面に薄膜形成を 行うので金属板ｐの隙間を介して炉内に配置せねばならず、金属板ｐの厚みが隙 間ｃの倍あるので、図９と図１０とから判るように、薄膜形成が片面のみの場合 は２倍の枚数が処理できるので５０％のコストダウンが可能である。 次に図１１は駆動板の両側に摩擦材を設けた従来の配列、図１２は各板の片面 のみに摩擦材を設けた場合の配列を示し、摩擦熱の流れについて説明すると（数 字は厚みを示している。）図１１の場合は駆動板の金属母材ｐ₂ の両側に摩擦材 が設けてあり、摩擦材は断熱材であるので、摩擦熱は駆動板の金属母材ｐ₂ の方 には流れず、凡て受動板の金属母材ｐ₁ の方に流れる。

【００１５】 それに対して図１２の如く摩擦材が片面のみのときは、摩擦熱は受動板、駆動 板ともに、摩擦材の反対側の面に均一に流れるので、図１１に比して受動板の厚 さを半分とすることができ、摩擦材ｍの厚みを金属板ｐの半分とし、隙間ｃを金 属板ｐの厚みと同じとすると、駆動板４枚の場合、図１１では全体寸法２６、図 １２では全体寸法２１となり、約２０％の小型化が可能となる。

【００１６】 その上セラミックス薄膜の形成により摩擦係数が上昇し同じトルク容量で径が 同じなら枚数をへらすことができ、綜合効果で約４０％の小型化を図ることがで きる。 図６はこの考案の受動板、駆動板の断面図を示し、金属母材９の片面に湿式摩 擦材８が接着され、反対面にはセラミックス薄膜１０が形成されている。（薄膜 の厚さは誇張して画かれている。） この考案のセラミックス薄膜１０は、鋼板、アルミ板等の金属材料、セラミッ クス、例えばアルミナ、窒化珪素、炭化珪素等の母材９の表面に、元素周期表の チタン等のIV_B 族元素、ニオブ等のＶ_B 族元素、モリブデン等のVI_B 族元素、Ｓ ｉ、Ａｌまたはそれらの炭化物、窒化物、もしくは酸化物からなる中間層１１を 形成し、ついで当該中間層１１の表面に中間層１１とは異なるチタン等のIV_B 族 元素、ニオブ等のＶ_B 族元素、モリブデン等のVI_B 族元素、Ｓｉ、Ａｌまたはそ れらの炭化物（例えばＭｏＣ等）、窒化物（ＴｉＮ等）もしくは酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ 等）からなる表層膜１２を形成する。

【００１７】 あるいは中間層１１の表面に、さらに立方晶窒化ホウ素（Ｃ−ＢＮ）、立方晶 ＳｉＢＮ（Ｃ−ＳｉＢＮ）あるいは立方晶ＢＣＮ（Ｃ−ＢＣＮ）を含む窒化ホウ 素系膜１３を形成している。 中間層１１に用いる上記のような元素は、それ自体硬い物であり、しかもそれ らの炭化物、窒化物あるいは酸化物はいっそう硬くなるため、中間層として用い るのに好ましい。

【００１８】 中間層１１は１層でもよく、あるいは複数層でもよい。図７は中間層１１、１ １′の表面に窒化ホウ素系膜１３を形成したところを示している。 また中間層を複数にすると、例えば母材９と中間層１１、１１′と表層膜１２ は密着力が強固であるため最終的に形成する窒化ホウ素系膜１３とのなじみを良 くして、窒化ホウ素系膜１３の密着性をより向上させることができる。

【００１９】 中間層１１の総膜厚は、例えば５００Å〜５０００Å程度にするのが好ましい 。これはあまり薄いとホウ素の母材９への拡散を抑制する効果が少なくなるから であり、摩擦係合装置として使用した場合の初期摩耗後の表層形成膜の厚み（通 常は例えば２μｍ程度）の数分の１程度以下に抑えるのがセラミックス薄膜１０ の表面の硬度維持等の観点から好ましいからである。

【００２０】 窒化ホウ素系膜１３においては、中間層が成分であるホウ素の拡散に対してい わば障壁として作用するため、温度上昇時においても当該ホウ素の母材中の拡散 が抑制される。即ち中間層１１によっては母材中における脆化層の生成が阻止さ れる。したがって、上記のようなセラミックス薄膜１０は、窒化ホウ素系膜の高 硬度特性を十分に生かしたクラック・剥離・脱落のない高寿命の特性を持つ。

【００２１】 また中間層の存在により母材９に直接形成する場合に比べて、元素周期表のチ タン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族元素、VI_B 族元素、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらの炭化 物、窒化物、もしくは酸化物または窒化ホウ素系膜１３が剥離しにくくなるとい う効果もある。 これは中間的な硬度材料である中間層が母材と表層との間の応力を緩和するい わばバッファ材となるためと考えられる。

【００２２】 さらにまたセラミックスを母材９にした場合、従来のメタライズ法（セラミッ クス表面に金属薄膜を密着させる法をいい、できた金属薄膜をメタライズ層とい う）は、セラミックス表面とメタライズ層との接合界面を単に物理的な力で接合 しているので、セラミックス−金属層界面で前記条件下においてメタライズ層が 剥離、脱落してしまう。そこで中間層として、セラミックスと金属の混合層イオ ンミキシング層１１′を作り、その表面に金属薄膜（セラミックス薄膜１０）が 形成されることにより該界面層の接合強度を従来のメタライズ層より数倍向上さ せることができる。

【００２３】 図８はセラミックス層９′にセラミックスとＴｉＮなどのミキシング層１１″ を形成し、その表面にＴｉＮ層１２を蒸着などで形成しているところを示す。 母材である金属板９の表面のセラミックス薄膜の形成はその順序も問題となる 。鉄との密着力はＴｉＣ＞ＴｉＮであるから、金属板に密着してＴｉＣ層を形成 し、その表面にＴｉＮ層を形成することで密着力を向上し、膜のはがれ易いとい う問題が解決された。

【００２４】 図１３ないし図１６は面圧２ＭＰａ、周速２０ｍ／ｓでの耐久試験における滑 り速度の変化に応じた摩擦力（トルク）の特性を表している。 図１３はこの考案のものの、図１４は従来のものの耐久初期の特性を夫々示し ている。何れの図もたて軸にクラッチトルク（摩擦力）を示し、横軸は制動時間 （回転中のフライホイールを停止させるのに必要とする時間）を示し、Ａはこの 考案のもの、Ｂは従来のものの変化を示す。

【００２５】 又図１５はこの考案のもの、図１６は従来のものの耐久後の特性を夫々示して いる。 従来のものは停止直前にルースタテイルとよばれるピークが発生し、μ−ｖ特 性（すべり速度の変化に伴う摩擦係数μの変化を表す特性）も、作動ショックに 不利となる右上りの特性を示している。

【００２６】 この考案では、同じ湿式摩擦材、同じ潤滑油を用いて、ルースタテイルは消滅 し、μ−ｖ特性もフラットもしくは右下りの傾向を示し、トルク（動摩擦係数μ ｄ、静摩擦係数μｓ）の絶対レベルも２０〜４０％向上する結果が出ている。こ れは作動ショックに非常に有利であるばかりでなく、連続滑りに使用された際に も自励振動発生を抑制しながら高トルク容量を得ることが可能となる。

【００２７】 図１７と図１８はこの考案のものと、従来のものの耐久試験中の摩擦係数（動 ・静）の経時変化を示す。図１７は動摩擦係数、図３１は静摩擦係数について夫 々示し、何れの図もＡはこの考案のもの、Ｂは従来のものの変化を示している。 Ａはどちらも安定しており、サイクル数（試験回数）に関係なくフラットであ る。それに対し従来のものは大きな経時変化を示している。

【００２８】 また、耐熱・耐久評価ではエネルギーを約２．５倍（面圧２Ｍｐａ、周速２０ 〜３２ｍ／ｓ）にて確認したところ、セラミックス薄膜を施していない鋼板の受 動板ではヒートスポットが発生し湿式摩擦材の異常摩耗が発生していた。単層に よる受動板では、ヒートスポットの発生こそなかったが、セラミックス薄膜の剥 離もしくは脱落が発生し、動摩擦係数が大きく変動する。この考案の多層セラミ ックス薄膜においては、表面がラッピングされたように光沢はでてはいるが、摩 擦係数及び表面状態（クラック・剥離・脱落等）に問題は発見されなかった。

【００２９】 また酸性物質による影響であるが、乾式で使用されるなら問題はないが、油中 で使用され、かつきびしい条件下では潤滑油が熱によって分解し、酸性物質を生 み出していることがわかっている。単層である場合、形成膜は必ずしも均一では なく、ピンホール（母材に被膜が形成されていない微小な部分）が存在する場合 がある。被膜は腐食の対象とはならないが、母材が鋼板等の場合、時により接合 界面に腐食が発生し、密着力を低下させ、被膜の剥離・脱落の要因となる場合が ある。

【００３０】 実際オートマチックトランスミッション内の潤滑油は時によりｐＨ１程度の強 酸になることもあり、形成膜は影響なくても、内部より影響を受けることが確認 されている。したがって、過酷な条件下における、湿式摩擦材の耐久寿命の向上 及び摩擦係合装置として耐久寿命の向上が図れる。 図１９は加速試験による摩擦係数２０％低下までのサイクル数を示し、たて軸 にサイクル数、横軸にサンプル（処理の種類）を示している。

【００３１】 なお鋼板にＴｉＣ、ＴｉＮの被覆を形成する加工工程として、鋼板を炉から出 すことなく、蒸発源よりの蒸発物質のＴｉは固定し、反応性ガスをＣＨ₄ 、Ｎ₂ の如く変換することにより化合物の形成が可能になる。蒸発物質と反応性ガスの 組合せにより多様な化合物の形成が可能である。 なおこの考案は、各受動板、駆動板の片側にのみ摩擦材を設けているが、図２ 、図３に示す駆動板の両面に摩擦材を貼着したものでも、前述の如き不具合があ るが、必要に応じて必ずしも実用に耐えられないものではなく、場合によっては 使用可能である。

【００３２】

【効果】

この考案の摩擦係合装置は前記の如き構成であって、 （１）動摩擦係数、静摩擦係数の向上 （２）摩擦特性の改善によるピーク発生の解消 （３）長期使用における摩擦係数の経時変化の改善 （４）湿式摩擦材及び摩擦係合装置の向上 等の効果があり、それにより摩擦係合装置の小型・軽量化、及び高トルクを得、 信頼性の高い製品を得ることができる。

【００３３】 現在の自動変速機の寸法は摩擦係合装置によって決まるといっても過言ではな く、摩擦係合装置の小型化により、自動変速機の小型化が可能となり、ひいては 車両の軽量化・スタイルにまでに影響をおよぼすこととなる。 なお、この考案の摩擦係合装置は実施例に示した多板クラッチのみならず、ト ルクコンバーターの直結クラッチ、ブレーキバンド（ドラム）、手動変速機等の シンクロナイザーリング等、多くの用途に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦係合装置の一例の側断面図

【図２】従来の受動板と駆動板の配列を示す図

【図３】同じく側断面図

【図４】この考案の受動板と駆動板の配列を示す図

【図５】同じく側断面図

【図６】この考案の受動板、駆動板の断面図

【図７】別な例の断面図

【図８】イオンミキシング層の概念図

【図９】片面にのみ摩擦材を設けたことの効果の説明図

【図１０】片面にのみ摩擦材を設けたことの効果の説明
図

【図１１】片面にのみ摩擦材を設けたことの効果の説明
図

【図１２】片面にのみ摩擦材を設けたことの効果の説明
図

【図１３】この考案のクラッチトルクと制動時間の耐久
初期の関係を示す図

【図１４】従来のものの図１３と同様な図

【図１５】この考案の耐久後の図１３と同様な図

【図１６】従来のものの耐久後の図１３と同様な図

【図１７】動摩擦係数の経時変化を示す図

【図１８】静摩擦係数の経時変化を示す図

【図１９】摩擦係数が２０％低下までのサイクル数の比
較を示す図

【符号の説明】

１ 受動板 ２ 駆動板 ３ プレッシャープレート ４ リテーナ ４′ スプライン部 ５ ハブ ６ インプットシャフト ７ ピストン ８ 湿式摩擦材 ９ 金属板（母材） ９′ セラミックス板 １０ セラミックス薄膜 １１、１１′ 中間層 １１″ イオンミキシング層 １２ 表層膜 １３ 窒化ホウ素系膜

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 湿式摩擦材と鋼板、アルミ板等の金属板
   とを接合させて形成した受動板及び駆動板の間の摩擦力
   により動力を伝達する摩擦係合装置において、各受動
   板、駆動板の片面に摩擦材を設け、反対側には、元素周
   期表のチタン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族元素、VI_B 族元
   素、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらの炭化物、窒化物もしくは
   酸化物からなるセラミックス薄膜を形成させたことを特
   徴とする摩擦係合装置。
2. 【請求項２】 前記のセラミックス薄膜は受動板もしく
   は駆動板の本体を形成する母材の表面に形成した元素周
   期表のチタン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族元素、VI_B 族元
   素、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらの炭化物、窒化物、もしく
   は酸化物からなるセラミックス薄膜の中間層と、その中
   間層の表面の中間層とは異なる元素周期表のチタン等の
   IV_B 族元素、Ｖ_B 族元素、VI_B 族元素、Ｓｉ、Ａｌまた
   はそれらの炭化物、窒化物もしくは酸化物からなるセラ
   ミックス薄膜層とから形成されていることを特徴とする
   摩擦係合装置。
3. 【請求項３】 前記のセラミックス薄膜は、母材の表面
   に形成した元素周期表のチタン等のIV_B 族元素、Ｖ_B 族
   元素、VI_B 族元素、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらの炭化物、
   窒化物、もしくは酸化物からなる中間層と、その中間層
   の表面に形成した窒化ホウ素系膜とからなっていること
   を特徴とする摩擦係合装置。
4. 【請求項４】 請求項３の中間層は複数の層からなって
   いることを特徴とする摩擦係合装置。
5. 【請求項５】 請求項２に記載のセラミックス薄膜は、
   母材に密接する中間層が炭化チタン、中間層の表面に形
   成される層は窒化チタンであることを特徴とする摩擦係
   合装置。