DE69900743T2

DE69900743T2 - Prüfvorrichtung für reibstoffe

Info

Publication number: DE69900743T2
Application number: DE69900743T
Authority: DE
Inventors: Ian Cotterill; Alan Davenport; Kenneth Dunning; Barry Marshall
Original assignee: Federal Mogul Friction Products Ltd
Current assignee: Federal Mogul Friction Products Ltd
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: AU2174099A; GB2333600A; JP2002501189A; EP1049920B1; ES2168002T3; WO1999037993A1; GB9801217D0; DE69900743D1; EP1049920A1; AU735456B2; US6330820B1; GB2333600B; ATE211547T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Reibbelagsmaterial, das in Bremsen, Kupplungen und dergleichen verwendet wird, und betrifft insbesondere das Prüfen der Funktion von solchen Materialien in Reibkupplungen, das heißt, wenn es in eine Reibeinspannung mit einem relativ beweglichen Reibelement gepresst wird.
Die Erfindung betrifft das Zurverfügungstellen einer Vorrichtung, mit der einfache Tests, wiederholt, mit einer minimaler Wartedauer, unter, im Wesentlichen unveränderlichen Bedingungen, durchgeführt werden können. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung, die in der Lage ist, einen Reibkupplungsvorgang zu simulieren, bei dem tiefe Bedingungen, möglicherweise Tieftemperaturen, mit einer Rate wiederholbar sein müssen, die auch Testwiederholungen mit einer minimalen Wartedauer ermöglicht.
Es ist bekannt, ein Reibbelagsmaterial für Fahrzeugbremssysteme vor Spezifizierung seiner Verwendung durch Unterwerfen einer relativ kleinen Probe des Materials, typischerweise weniger als 4 cm² Oberflächenumfang, zu einer Serie von simulierten Bremsvorgängen in einer Reibkupplung zu testen, das heißt, durch wiederholtes Anwenden unter kontrolliertem "Pressdruck" gegen ein relativ bewegliches Reibelement des Materials, im Allgemeinen einem Metall wie Gusseisen, das in der Fahrzeugbremse selbst verwendet wird, um die Bremsbetätigung, die folgenden, davon verursachten Abbremskräfte und die davon erzeugte Reibungswärme zu simulieren. Aufgrund der relativ kleinen Reibungskontaktfläche sind die relative Geschwindigkeit, Bremsbetätigungs(Lager)druck und Abbremskräfte dementsprechend verkleinert, und für eine Prüfvorrichtung geeignet, die in einer Werkstatt oder einer Laborumgebung verwendet wird.
Es muss klar sein, dass Wärme erzeugt wird, die die Temperatur des Reibelementes erhöht, wenn die reibende Reibbewegung zwischen dem Reibbelagsmaterial und dem Reibelement auftritt. Während bei einem Fahrzeugbremssystem im allgemeinen Bewegung und gelegentlich Bremsbetätigungen auftreten, die der Wärme in dem Reibelement erlauben abgeführt zu werden, sind die Bedingungen in dem Klima einer Werkstatt oder eines Labors nicht so vorteilhaft, wo das Fehlen solcher Bewegung und der Umgebungstemperatur auch die Fähigkeit enthalten kann, wiederholtes Bremsen in einer praktikablen kurzen Zeit zu simulieren, weil die in jedem Test erzeugte Wärme abgeführt werden muss, bevor dieselben Startbedingungen für jeden nachfolgenden Test mit dem gleichen Reibbelagsmaterial oder einem unterschiedlichen Reibbelagsmaterial für eine Vergleichsprüfung wiederhergestellt sind; das heißt, die Dauer eines Testprogramms betrifft direkt die Geschwindigkeit, bei der Anfangstemperaturbedingungen wiederhergestellt werden können. In der Praxis kann ein Testprogramm, das viele zehn oder hunderte simulierte Bremsvorgänge enthalten kann, von denen jeder nur wenige Sekunden andauern kann, impraktikabel werden, um in einer Werkstatt oder einem Labor mit bekannten Prüfmaschinen durchgeführt zu werden.
Es gibt auch eine Anforderung, Fahrzeugbremsvorgänge in einer Betriebssystemumgebung deutlich unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser zu simulieren. Solche Fahrzeugbremsung findet folglich in einer Atmosphäre statt, die in dem Sinne trocken ist, dass sie kein Wasser in Gas- oder in flüssiger Form enthält. Es ist trotzdem, aufgrund sowohl der relativ hohen Umgebungstemperatur als auch der Luftfeuchtigkeit in solch einer Umgebung und der Notwendigkeit, nach Wunsch identische Bedingungen zu reproduzieren, wenig trivial, dies in der vorstehend genannten Werkstatt oder Laborumgebung zu erreichen.
Folglich verursacht die Erzeugung der Reibungswärme praktische Schwierigkeiten beim Reproduzieren von Bedingungen bei der Durchführung solcher Simulationen in einer kommerziell praktikablen Weise in Bezug auf die Prüfvorrichtung, die eine Reibkupplung durch Herstellen von Reibbewegung simuliert, um Reibbelagsmaterialien zu testen, während die Vorrichtung von einer relativ einfachen Form sein kann. Analoge Überlegungen verwenden auch Reibbelagsmaterialien, die in Nichtfahrzeug-Bremsen und in Trockenplattenkupplungsanordnungen verwendet werden, und mit Hinblick auf das Vorstehende, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reibbelagsmaterialprüfanordnung mit einer kompakten und einfachen Konstruktion bereitzustellen, die eine praktikabel schnelle Wiederholung von Reibbewegungsvorgängen mit einer Reibkupplung ermöglicht. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reibbelagsmaterialprüfvorrichtung mit kompakter und simpler Konstruktion bereitzustellen, die in der Lage ist, in einer Werkstatt oder einer Laborumgebung Reibbewegung mit einer Reibkupplung bei Unter-Null-Temperaturen mit kommerziell praktikabler Wiederholung zu simulieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Vorrichtung zum Prüfen des Abriebverhaltens von trockenem Reibbelagsmaterial in einer Reibkupplung mit einer relativ beweglichen Reibungsfläche, gegen die es wiederholt gepresst wird, die Vorrichtung (i) einen Elementträger, der zum Tragen eines Reibelementes aus wärmeleitfähigem Material mit der Reibungsfläche angeordnet ist, wobei der Elementträger in der Ebene der Reibungsfläche beweglich ist, (ii) einen Probenträger für mindestens eine Probe des Reibbelagsmaterials, der gegenüberliegend zu dem Reibelement angeordnet ist, wobei eines der Element- und Probenträger einen Tisch enthält, der innerhalb von Beschränkungsgrenzen drehbar ist, und wobei der andere der Träger drehbar bezüglich des Tisches ist, (iii) Trägerantriebsmittel, die angeordnet sind, um den anderen der Träger und die Reibkupplungskomponente darauf orthogonal und parallel bezüglich des Tisches und der Reibkupplungskomponente darauf zu bewegen, um einen Schleifkontakt zwischen der Reibungsfläche und jeder berührenden Probe zu erzeugen und zu unterbrechen, und ist gekennzeichnet durch (iv) betriebsbereite Messmittel, um die Temperatur des Reibelementes zu fühlen, und als Antwort auf Reibung zwischen der Reibungsfläche und dem Reibbelagsmaterial, die Drehung des Tisches zu beschränken und die Kraft zu messen, die an den Tisch durch das Reibelement angelegt ist, (v) betriebsbereite Steuermittel, um die Trägerantriebsmittel zu steuern, um eine Reibungskopplung als Antwort auf die Temperatur des Reibelementes zu erzeugen, die unterhalb einer vorherbestimmten Auslösungstemperatur liegt, und (vi) betriebsbereite Kühlmittel, um Wärme zwangsläufig von dem Reibelement abzuführen, um es auf die vorherbestimmte Auslösungstemperatur herabzusetzen.
Die Kühlmittel können Wärmeaustauschermittel enthalten, in denen ein Kühlfluid zum Durchfließen über einen Wärmeleiter in einer Wärmeleitungsbahn angetrieben wird, die das Reibelement umfasst. Vorzugsweise enthalten solche Wärmeaustauchermittel einen befestigten Behälter mit mindestens einer Wand in Thermokontakt mit dem Reibelement, betriebsbereite Einlass- und Auslassschlitze, um das Kühlfluid herein- und herauszulassen, und eine Quelle des Kühlfluids, die angeordnet ist, um es zu dem Behältereinlassschlitz mit einer vorherbestimmten Rate zu liefern.
Die Kühlmittel können auch thermoelektrische Kühlmittel umfassen, die mindestens ein thermoelektrisches Kühlelement, das zwischen und in Thermokontakt mit den Wärmeaustauschermitteln und einem Reibelement angeordnet ist, und Energieversorgungsmittel aufweisen, die angeordnet sind, um einen vorherbestimmten Strompegel zu jedem thermoelektrischen Kühlelement zu liefern.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Hinweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Teilvorderansicht durch die Reibbelagsmaterialprüfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form einer simulierten Bremsanordnung ist, die einen beweglichen Träger für Reibbelagsmaterialproben und ein feststehendes Reibelement enthält und Kühlmittel für das Reibelement einschließt, die Kühlfluidwärmeaustauschmittel und thermoelektrische Kühlmittel enthalten,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1 mit zwei Reibbelagsmaterialproben ist, die auf einem drehbaren Probenträger liegen,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 1 ist, die die innere Anordnung der Wärmeaustauschermittel, und die Anordnung des Reibelementes bezogen dazu zeigt,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 1 ist, die die Anordnung der thermoelektrischen Kühlmittel bezüglich des Reibelementes zeigen, und
Fig. 5 eine Teilvorderansicht durch eine vereinfachte Form einer Reibbelagsmaterialprüfvorrichtung, ähnlich wie in Fig. 1 ist, aber bei der die Kühlmittel keine thermoelektrischen Kühlmittel aufweisen.
Mit Hinweis auf die Fig. 1 bis 4 enthält die im Allgemeinen als 10 dargestellte Prüfvorrichtung ein statisches Maschinenfundament 11, von dem ein Tisch 12 getragen wird, der um eine im Wesentlichen vertikale Achse 13 drehbar ist. Der Tisch hat eine im Wesentlichen horizontale obere Oberfläche 14 und einen radial verlängerten Vorsprung 15, der angeordnet ist, um in eine Kraftmessvorrichtung 16, wie eine Messzelle, einzugreifen. Der Vorsprung hat keinen permanenten Kontakt mit der Vorrichtung 16, aber einen kleinen Zwischenraum mit ihr, so dass der Grad einer freien Bewegung klein ist, bevor sie durch Anstoßen mit der Kraftmessvorrichtung behindert wird, wenn der Tisch zur Drehung um die Achse 13 angetrieben wird. Die durch die Vorrichtung gemessene Kraft ist folglich in der Lage, ein Drehmoment darzustellen, das auf den Tisch wirkt.
Konzentrisch damit und darüberliegend ist der Tisch ein Probenträger 20 mit einer vertikal verlängerten Hinterachswelle 21, die um die vertikale Achse 13 durch einen Motor 22 und wechselseitig zu und weg von dem Tisch durch einen Kolben 23 drehbar ist. Es ist klar, dass der Motor durch irgendeine geeignete Energiequelle angetrieben und mit dem Schaft durch verschiedene Wege verbunden werden kann. Ebenso kann der Kolben flüssigkeitsangetrieben oder mechanisch sein, das heißt, durch eine Kurvenscheibe und/oder eine Getriebekupplung zu dem Motor gebildet sein. Der Motor 22 ist elektrisch und der Kolben pneumatisch betrieben, wie schematisch in dieser Ausführungsform gezeigt ist.
Der Schaft 21 und der Probenträger 20 sind teilweise von einer drehbar-fixierten Verstärkung 24 umgeben, die den Schaft axial ausgerichtet und mittels Lagern 25 oder dergleichen, drehbar halten.
Der Probenträger 20 liegt auf dem Tisch 12 und hat eine Oberfläche 26, die zu der Oberfläche 14 des Tisches hin gegenüber liegt; die Oberflächen 26 und 14 tragen die Bauteile einer im Allgemeinen mit 30 bezeichneten Reibkupplung, die Proben 31, 32 eines Reibbelagsmaterials und eine Reibungsfläche 33 eines ringförmigen Reibelementes 34 enthält, wobei das Reibbelagsmaterial und das Reibelementmaterial jene sind, die in einem vorgeschlagenen Bremssystem, aber maßstäblich dimensionsgerecht verkleinert, eingesetzt werden. Das Reibelement besteht aus Gusseisen.
Die Reibbelagsmaterialproben 31, 32 sind an der Oberfläche 26 des drehbaren Probenträgers befestigt und das Reibelement 34 ist bezüglich der Oberfläche 14 des Tisches 12 mittels dazwischenliegenden, im Allgemeinen mit 40 bezeichneten Kühlmitteln befestigt, die nachstehend vollständig beschrieben werden, wobei der Tisch einen Elementträger enthält.
Um die Eigenschaften des Reibbelagsmaterials zu testen in Bezug auf seinen Reibungskoeffizienten und seine mögliche Verschleißrate oder, in Bezug darauf wie die Reibkupplung absinkt oder nachlässt, wenn die Reibung zwischen Proben und Reibungsfläche Wärme erzeugt, ist die Vorrichtung mit Steuermitteln 50 ausgestattet. Die Steuermittel haben mit dem Kolben 23 verbundene Ausgänge, um den Probenträger entlang der Achse 13 zu versetzten und die Probenträger 31 und 32 zu veranlassen, gegen die Reibungsfläche mit einem vorbestimmten Druck standzuhalten, der einen Bremsdruck, sowie das Gewicht des Probenträgers und Schaftes simuliert, und mit dem Antriebsmotor 22 verbunden ist, um den Probenträger 20 in Bezug auf die Reibungsfläche zu drehen, um damit die Reibung und Verzögerung der Bremsbetätigung zu simulieren.
Eine solch reibende Reibbewegung kuppelt das Reibbelagsmaterial mit dem Reibelement, um es und den Tisch 12 zu drehen, durch den es um die Achse 13 getragen wird. Der Tisch 12 und das Reibelement werden durch den Vorsprung 15 und die Kraftmessvorrichtung 16 an bedeutsamer Drehung gehindert, so dass die auf die Vorrichtung 16 aufgelegte Last für den Reibungskoeffizienten repräsentativ ist, der das Antreiben und die Antriebskomponenten der Reibkupplung kuppelt. Die Kraftmessvorrichtung 16 liefert elektrische Signale, die durch Leitung 51 zu Steuermitteln 50 und/oder zu einer externen Aufzeichnungsvorrichtung (nicht gezeigt) geliefert werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst auch einen Temperaturfühler 52, der durch Thermokontakt mit dem Reibelement und mit den Steuermitteln durch Leitung 53 verbunden ist. Der Temperaturfühler ist herkömmlich angrenzend zu der Reibungsfläche 33 angeordnet und liefert eine sofortige Anwort auf die in der Reibkupplung erzeugte Temperatur und ist unabhängig von irgendeinem Wärmewiderstand des Reibelementmaterials.
Die Steuermittel 50 sind in der Lage, programmiert zu werden, um eine relative Bewegung und einen simulierten Bremsdruck zwischen den Komponenten der Reibkupplung bereitzustellen und das resultierende gekoppelte Kräfte/Drehmoment und den Temperaturanstieg wiederholt zu kontrollieren. Die Komponenten der Reibkupplung werden nach einem vorbestimmten Reibintervall, typischerweise im Bereich von 10 bis 15 sec, oder nachdem der Temperaturfühler eine vorbestimmte Temperatur oder einen Temperaturanstieg, ausgehend von einer Ausgangstemperatur, die hier herkömmlich Auslösungstemperatur genannt wird, wie gewünscht, registriert hat, voneinander getrennt und wieder in Kontakt gebracht, wenn das Reibelement zu der Auslösungstemperatur zurückkehrt. Das heißt, um zu sichern, dass die Starbedingungen für jeden simulierten Bremsvorgang die gleichen sind, ist es für die Steuermittel notwendig, von dem Temperaturfühler zu ermitteln, ob das Reibelement auf die Auslösungstemperatur abgekühlt ist.
Offensichtlich bestimmt die Rate, mit der durch Reibung erzeugte Wärme aus dem Reibelement abgegeben wird, die Frequenz, mit der solche simulierten Bremsvorgänge wiederholt werden können und folglich sind die Kühlmittel 40 bereitgestellt, um Wärme zwangsweise aus dem Reibelement abzuziehen, um zumindest zu helfen, es zu der vorbestimmten Auslösungstemperatur zu erniedrigen.
Die Kühlmittel enthalten Wärmeaustauschermittel 41 in Form von einem befestigten Behälter 42 mit einer Wand 43, die darauf abgestützt und daran befestigt ist, wobei sich die Oberfläche 14 des Tisches 12 und eine zweite Wand 44 in indirektem Thermokontakt mit dem Reibelement durch thermoelektrische Kühlmittel 75 befindet, die nachstehend vollständig beschrieben sind. Der Wärmeaustauscherbehälter hat auch einen Einlassschlitz 45 und einen Auslassschlitz 46, die an gegenüberliegenden Seiten des Behälters angeordnet sind bzw. angeordnet sind um ein Kühlfluid von der Quelle 47 auf dem Weg des Rohres 48 hereinzulassen und auf dem Weg des Rohres 49 zu entfernen. Die Quelle 47 und/oder Ventilmittel (nicht gezeigt) sind angeordnet, um das Kühlfluid zu veranlassen, zu dem Einlassschlitz bei einer vorbestimmten Rate zugeführt zu werden, die gewählt ist, um eine geeignete Wärmedurchgangsrate zwischen der zweiten Behälterwand und dem Fluid in dem Behälter zu ergeben, und dort ist auch ein Strömungsschalter 491 bereitgestellt, der durch Leitung 492 mit den Steuermitteln verbunden ist, um zu bewirken, dass eine Betätigung in Abwesenheit einer ausreichenden Fluiddurchflussmenge verhindert wird.
Vorzugsweise sind alle Wände des Behälters, aber insbesondere die zweite Wand 44, thermisch leitend und in Kontakt mit dem Kühlfluid, und folglich werden die Wärmeaustauschermittel mit der ersten Wand 43 verwendet, die im Wesentlichen eine horizontale Basis zu dem Behälter bildet und die Einlass- und Auslassschlitze werden über der Basis versetzt, so dass sich, wenn das Kühlfluid eine Flüssigkeit ist, eine nicht abfließende Ansammlung von Flüssigkeit in dem Behälter bildet. Solch eine Flüssigkeitsansammlung, wenn umweltunschädlich, so wie Wasser, kann in einem Notfall bewirken, dass beträchtliche Wärme durch Verdampfung abgeleitet, und gleichzeitig ein optisches Signal durch Dampfausstoß gegeben wird, wenn die Zuführung versagt.
Um die Wärmeaustauschereffizienz zu maximieren, weist die zweite Wand 44 eine Vielfalt von 2N integralen Kühlrippen 44A1, 44A2, ...44AN, 44B1, 44B2 ...44BN auf, die sich in den Behälter zwischen Einlass- und Auslassschlitzen erstrecken.
Mit Bezug auf Fig. 3 erstreckt sich jede der Kühlrippen entlang der Wand 44 im Wesentlichen zwischen gegenüberliegenden Rändern 44A und 44B davon und im Wesentlichen orthogonal zu der Richtung zwischen den Einlass- und Auslassschlitzen 45 und 46.
Die N Kühlrippen 44A1, 44A2 ...44AN erstrecken sich alle von dem Rand 44A, aber sind abgestumpft und enden kurz vor dem Wandrand 44B und die N Kühlrippen 44B1, 44B2 ...44BN erstrecken sich genauso von dem Rand 44B, aber enden kurz vor der Stirnwand 44A, wobei die alternierend angeordneten Kühlrippen einen Schlangenlinienweg zwischen den Einlass- und Auslassschlitzen dazwischen, und auf die Weise der abgestumpften Enden von angrenzenden Kühlrippen definieren. Die Kühlrippen können sich in die Kammer fast in Kontakt mit der gegenüberliegenden ersten Wand 43, aber mindestens zu einer Ausdehnung erstrecken, die sie in die Flüssigkeitsansammlung eingetaucht hält.
Wie oben angedeutet, ist ein besonderes Erfordernis, das erfüllt werden sollte, das simulierte Bremsen durch die Reibkupplung in einer Betriebsumgebung, die unter der normalen Umgebungstemperatur der Werkstatt oder des Labors, in der bzw. dem die Vorrichtung sich befindet und unter einer Temperatur ist, bei der Luftfeuchtigkeit kondensieren kann und die Komponenten der Reibkupplung effektiv kontaminiert werden können.
Unter solchen Verhältnissen besteht dort nicht nur ein Erfordernis für das Reibelement, zu solch einer tiefen Auslösungstemperatur in einer praktikablen kurzen Zeit zwischen jedem der wiederholten simulierten Bremstests gekühlt zu werden, bei denen Wärme erzeugt wird, es muss, ohne Kontamination der Komponenten der Reibkupplung, oder ohne ihre Arbeitswechselbeziehung durch Niederschlagswasser verwirklichbar sein.
Die Kühlmittel 40 umfassen Umschließungsmittel 60 für die Komponenten der Reibkupplung in Form einer Verkleidung oder einer zeltartigen Verkleidung 61 aus flexiblem Material mit geringer Wärmeleitung. Die Verkleidung umschließt es, und weist ein Ende 61&sub1; auf, das an dem Verstärkungsrand 24 festgeklammert ist, und erstreckt sich axial von ihm zu den Wärmeaustauschermitteln, wo das andere Ende 61&sub2; in gleicher Weise befestigt ist, um eine Umschließung zu definieren, dessen Seitenwand zum Ermöglichen von Deformation flexibel ist, bevor die Proben und das Reibelement zusammengebracht werden. Ein Rohr 62 wird durch den Verstärkungsrand 24 damit mit einem Ende eines flexiblen Rohres 63 verbunden, wobei das andere Ende von ihm mit einem Druckregulator 64 einer Druckgasquelle 65 verbunden ist. Das Gas ist vorzugsweise Argon, das geeigneterweise geringe Wärmeleitung hat und inert ist.
Trotz der Beschaffenheit des Einspannens zwischen der Verkleidung und dem Verstärkungsrand 24 und den Wärmeaustauschermitteln ist dort zwangsläufig eine undichte Stelle zwischen der Umschließung und der umliegenden Umgebung, zum Beispiel entlang des Probenträgerantriebsschaftes, und folglich ist der Gasdruckregulator 64 angeordnet, um Gas bei einem Druck leicht über dem atmosphärischen Umgebungsdruck zu liefern, das heißt, ein Druck in dem Bereich von 1,1 bis 1,2 bar, der ausreichend ist, um ein Überdruckdifferential zwischen der Umschließungsatmosphäre und der umliegenden Umgebung zu erhalten. Eine solch flexible, durch die Verkleidung definierte Seitenwand ist auch zum Bereitstellen einer schnellen Sichtanzeige, dadurch brauchbar, dass ein geeignetes Überdruckdifferential aufgrund der Neigung der Wand existiert, auszubeulen, wenn dieses Differential erreicht ist. Wenn gewünscht, kann ein Sensor 66 mit dem Druckregulator 64 (oder auch mit der Umschließung 60 selber) gekoppelt sein, um zu detektieren, dass die geeigneten Atmosphärenbedingungen in der Umschließung vorhanden sind und mit den Steuermitteln 50 verbunden sind, um die simulierten Bremsvorgänge in Abwesenheit eines geeigneten Druckdifferentials zu verhindern.
Wie vorstehend erwähnt, ist eine besondere zu erfüllende Testanforderung das simulierte Bremsen durch eine Reibkupplung in einer simulierten Vorgangsumgebung, die deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser, möglichst tiefer als -25ºC liegt. Trotz der exakten Auslösungstemperatur, bei der es notwendig ist, das Reibelement zwischen jedem simulierten Bremsvorgang zu kühlen, muss dies in einer praktikablen kurzen Zeit und kostengünstig erreicht werden. Es muss klar sein, dass dort bei deutlicher und schneller Verminderung der Temperatur des Reibelementes auf dem Weg von einfachen Wärmeaustauschermitteln 41 eine praktische Schwierigkeit besteht, die eine spezifisch große Wärmeträgheit ohne Zuflucht aufweisen, um Vorkehrungen in Bezug auf das Kühlfluid auszuführen.
Die Kühlmittel 40 umfassen ferner einen ersten, breiten, wärmeleitenden Körper, der die zweite Wand 44 des Wärmeaustauscherbehälters enthält, und einen zweiten, breiten, wärmeleitenden Körper 70, wie eine Platte aus Aluminium oder ein ähnliches Metall, von dem das Reibelement 34 getragen wird, und thermoelektrische Kühlmittel, im Allgemeinen als 75 bezeichnet, die eine spezifisch kleine Wärmeträgheit aufweisen. Die thermoelektrischen Kühlmittel enthalten eine Vielzahl von thermoelektrischen (Peltier) Kühlelementen 76&sub1;, 76&sub2;, 76&sub3; ..., die zwischen dem ersten und dem zweiten Körper 44 und 70 durch Klemmmittel 77 in der Form von sich zwischen den Körpern erstreckenden Bolzen liegen, und Energieversorgungsmittel 78, die angeordnet sind, um ein vorbestimmtes Stromniveau zu jedem thermoelektrischen Kühlelement unter der Steuerung der Steuermittel 50 zu liefern.
Bei dieser besonderen Ausführungsform, und wie aus Fig. 4 ersichtlich, enthalten die thermoelektrischen Kühlmittel eine Anordnung von im Wesentlichen ebenen thermoelektrischen Kühlelementen, die zwischen dem ersten und zweiten Körper 44 und 70 in annähernd einer Linie mit dem ringförmigen Reibelement liegen.
Geeignete thermoelektrische Kühlelemente bestehen aus den DuraTECTM-Serien, die von Marlow Industries Inc., Dallas, Texas, USA hergestellt werden. Elemente mit einer Hersteller- Listennummer D T 12-6 messen 44 · 40 · 4 mm und haben ebene keramische, zum Einspannen zwischen den beiden Körpern geeignete Außenflächen mit nur einem kleinen Anstieg bei Teilung des Reibelementes von den Wärmeaustauschermitteln.
Weil die Außenflächen der thermoelektrischen Elemente keramisch und eben sind, müssen die Oberflächen der Körper 44 und 70 dementsprechend eben sein, und eben bleiben, wenn sie eingespannt werden, um die Elemente einzuschieben, um einen guten Thermokontakt zu erzielen. Dies kann vor allem durch Bildung solcher Metallplattenkörper erreicht werden, die eine signifikante Dicke haben, um Deformation während des Einspannens zu vermeiden; aber aufgrund von leichten Variationen in der Dicke zwischen einzelnen Elementen kann das Einspannen der Körper nicht in einem guten Thermokontakt mit jedem einzelnen Element resultieren und folglich ist eine elastisch zusammendrückbare wärmeleitende Membran 79 von der kommerziell erwerblichen Art zur Verwendung bei Halbleiterbauelementwärmesenkern zwischen dem zweiten Körper 70 und den thermoelektrischen Kühlelementen eingeschoben. Der verbleibende Raum zwischen dem zweiten Körper 70 und dem ersten Körper 44 ist mit feuchtigkeitsausschließendem Wachs, Gel oder einem ähnlichen Material gefüllt.
Es muss klar sein, dass eine Temperaturdifferenz zwischen den Außenflächen der Vorrichtung als eine Funktion des Stromes erzeugt wird, wenn jedes der thermoelektrischen Elemente 76&sub1; ... einen Strom aufweist, der dort durchführt. Die an den zweiten Körper angrenzende Außenfläche kühlt und zieht Wärme aus dem zweiten Körper und dem Reibelement heraus, während die an den ersten Körper angrenzende Außenfläche als eine Funktion von beiden, der abgezogenen Wärme und der elektrischen, in der Vorrichtung selbst verbrauchten Energie, wärmt. Diese Wärme wird durch die Wärmeaustauschermittel abgeführt. Die Wärmeträgheit der Wärmeaustauschermittel, in der Praxis die Temperatur des zweiten Körpers/Reibelementes, sollte in Bezug auf die Wärmeaustauscherfluidtemperatur definiert sein.
Der Hersteller führt für jedes Element mit der vorstehenden Hersteller-Listennummer eine Wärmepumpenkapazität von 54 W, eine Maximaltemperaturdifferenz ΔT zwischen Außenflächen von 68ºC, einen Maximalstrom von 5,6 A und eine Maximalspannung von 14,6 V an.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Anordnung von acht solcher Vorrichtungen 76&sub1;-76&sub8; verwendet, wobei die Elemente so in Serien verbunden sind, dass jedes einen Strom von etwa 4 A bei 14 V durchlässt. Die Wärmeaustauschermittel sind, wie vorstehend erwähnt, mit der lokalen Hauptwasserversorgung verbunden, um Wasser als Kühlflüssigkeit bei etwa 11ºC und bei einer Zuführungsrate von etwa 2 Liter/min zu erhalten, dadurch wird eine fast konstante Temperatur für den ersten Körper 44 von den thermoelektrischen Kühlmitteln erreicht, die normalerweise unter Raumtemperatur liegt.
Die zweite Platte ist aus Aluminium und hat Dimensionen von 160 · 160 · 12 mm und das ringförmige Reibelement hat einen Außendurchmesser von 135 mm, eine radiale Dicke von 13 mm, wobei die Hälfte von ihm die Reibungsfläche 33 ist, und eine axiale Dicke von 6,5 mm und ein Gewicht von 172 Gramm aufweist, und aus Gusseisen ist.
Es wurde festgestellt, dass bei Kühlung des ersten Körpers 44 auf etwa 11ºC durch den Durchfluss eines Wasserkühlmittels durch die Wärmeaustauschermittel, ein Reibelement, das anfangs 20ºC hatte, durch die Aktion des Wärmeaustauschermittel gemäß Tabelle 1 abgekühlt wurde.

Reibelement Temperatur (ºC) / Thermoelektrische Kühlung Zeit (sec)

+20 0
+10 35
+5 60
0 90
-5 120
-10 180
-15 270
-20 420
-23 600
-25 850

TABELLE 1

Ein simulierter Bremstest enthält eine Initiierung von Reibkontakt bei einer Auslösungstemperatur von -23ºC und Kontakthaltung für einen Zeitraum von etwa 15 sec. Während dieser Zeit vor Bremskontaktabbruch bestimmt die Kraftmessvorrichtung 16 die reibgekuppelte Last, die den Reibungskoeffizienten zwischen den Proben und der Reiboberfläche definiert. Das Reibelement wurde dann gekühlt, bis die gleiche Auslösungstemperatur erreicht wurde und der Reibkontakt wurde wieder hergestellt. Dieser Zyklus wurde für jedes Reibbelagsmaterial und für verschiedene Reibbelagsmaterialien mehrmals wiederholt.
Es wurde gefunden, dass der Temperaturanstieg mit der in dem Reibelement erzeugten Wärme am Ende der Simulation etwa -10ºC betrug, wenn die thermoelektrischen Kühlmittel während des simulierten Bremsvorgangs in Betrieb gehalten wurden. Die zum Kühlen des Reibelementes von -10ºC auf -23ºC erforderte Zeit betrug nur 60 sec und bestimmte dadurch die Abstände zwischen den Tests.
Während Tabelle 1 andeutet, dass solches Wiederabkühlen des Reibelementes in dem Bereich von 420 sec ( = 600-800) vorgenommen werden sollte, setzt das voraus, dass das ganze Reibelement/der zweite Körper 70 zu der gleichen Temperatur wie die Reibungsfläche 33 erhöht wird. Es muss klar sein, dass die Temperatur der Reibungsfläche (wo der Sensor platziert ist) in wenigen Sekunden, und bevor die Wärme über die ganze Größe des Reibelementes und des zweiten Körpers verteilt werden kann, zu einem Höchstwert ansteigt. Die Menge an erzeugter Wärme entspricht einem sehr viel kleineren Gesamttemperaturanstieg, dem durch die Wärmeaustauschermittel entgegengewirkt wird, und folglich wird eine Wiederverteilung und Abführung von Wärme in dieser sehr viel kürzeren Zeit erreicht.
Es wurde auch festgestellt, dass das Reibelement auf eine gemessene Temperatur von etwa +10ºC erhöht wurde, und die benötigte Zeit, um das Reibelement wieder auf -23ºC abzukühlen, etwa 90 sec betrug, verglichen mit den 565 sec (= 600-35), die die Tabelle vorhersagt, wenn die thermoelektrischen Kühlmittel nur nach der Einstellung der Reibung in Betrieb waren.
Die vorstehenden Werte sind nur als Beispiele angeführt und es kann erwartet werden, dass sie von einer Vorrichtung und einem Standort zu einem anderen variieren. Die Geschwindigkeit und Leichtigkeit, solche Bedingungen wiederholt herzustellen, wird aber dadurch gezeigt. Welche Vorgehensweise verwendet wird, wird davon abhängen, ob jeder simulierte Bremstest auf einem feststehenden Bremsintervall oder auf den erzeugten Temperaturen basiert.
Es muss klar sein, dass das Reibelement durch Erhöhung des Kühlzeitintervalls zu einer etwas niedrigeren Auslösungstemperatur gekühlt werden kann, wobei keine zusätzlichen Änderungen als die Erhöhung der Gesamtzeit zum Durchführen einer Serie von simulierten Bremstests involviert sind.
Alternativ kann die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen und den thermoelektrischen Kühlmitteln durch Einbau von thermoelektrischen Kühlelementen mit höherer elektrischer Leistungsaufnahme in Verbindung mit Wärmetransfer in den Wärmeaustauschermitteln durch die interne Form der Wärmetransferoberflächen, Fließgeschwindigkeit, der Temperatur, bei der das Kühlfuid zugeführt wird und/oder der Art des Kühlfluids selber, erhöht werden. Wie vorstehend erwähnt, gibt es ökonomische und umweltbedingte Vorteile für die Benutzung von Wasser als Kühlfluid, und Wasser- oder wasserhaltige Frostschutzmittel-Zusätze können den Wärmeaustauschermitteln, vorgekühlt auf eine Temperatur nahe an oder auch unter 0ºC zugesetzt werden. Irgendeine andere Flüssigkeit mit einer geeigneten Wärmeleitfähigkeit und einem geeigneten Gefrierpunkt kann auch eingesetzt werden oder das Kühlfluid kann ein Gas sein, entweder ein rezirkulierendes oder extern gekühltes wärmeleitfähiges Gas oder Luft, wobei das letztgenannte möglicherweise Atmosphärenluft ist, die durch die Wärmeaustauscher geblasen und ausgestoßen wird, das veranlasst wird, durch die Kühlrippen der Wärmeaustauschermittel (wie gezeigt oder geeignet modifiziert) zu strömen.
Es zeigt sich, dass die kompakten thermoelektrischen Kühlmittel, ungeachtet der Wärmeerzeugung, durch ihren eigenen Stromverbrauch eine zu erzielende Reibelementtemperatur von deutlich unter 0ºC, nicht nur kostengünstig, sondern auch schnell zu erreichen, erlauben, und wiederum ermöglichen, dass simulierte Bremstests, die ausreichend schnell für derartige Mehrfachtests wiederholt werden können, in einer industriellen Umgebung praktikabel sind.
Es muss klar sein, dass die Kühlmittel weniger sorgfältig, als in Fig. 1 bis 4 gezeigt, in Abhängigkeit von der Aneinanderreihung der erforderten Prüfung, besonders der Auslösungstemperatur, ausgeführt sein können. Zum Beispiel kann der zweite Körper 70 bei den thermoelektrischen Kühlmitteln ausgelassen werden, wenn es praktikabel ist, das Reibelement direkt an den ersten Körper, das heißt, an die Wand 44 des Wärmeaustauscherbehälters, einzuspannen. In gleicher Weise kann der erste Körper durch eine von der Behälterwand abgetrennte Platte (nicht gezeigt) gebildet sein, die aber damit verbunden ist, wobei die thermoelektrischen Kühlmittel eher als eine Einheit von den Wärmeaustauschermitteln abgetrennt werden.
Wenn es ist nicht erforderlich ist, höchste Kühlung und/oder Kühlrate des Reibelementes zu erreichen, können die thermoelektrischen Kühlmittel allesamt ausgelassen werden, wie in Vorrichtung 100 in Fig. 5 gezeigt, worin die Kühlmittel 40 sich von den vorstehend beschriebenen Kühlmitteln 40 durch solches Auslassen unterscheiden und das Reibelement 34 direkt mit den Wärmeaustauschermitteln verbunden ist und durch die ein geeignetes Kühlfluid, bei einer geeigneten Temperatur, durchgeleitet wird. Da alle Zahlen der Ausführungsform in Vorrichtung 10 vorliegen, werden Bezugszeichen verwendet und keine weitere detaillierte Beschreibung gegeben.
Es muss klar sein, dass die Umschließungsmittel 60 bei der Ausführungsform 100 auch ausgelassen werden können, wenn der erforderte Kühlgrad nicht die Reibkupplungskomponenten unter den Taupunkt der umgebenden Umwelt der Werkstatt oder des Labors erniedrigt, in der bzw. dem die Vorrichtung plaziert ist.
Während sich die vorstehende Beschreibung auf einen simulierten Bremstest konzentriert, muss klar sein, dass ein analoger Test mit einer geringeren Wärmeerzeugung, aber möglicherweise mit der Notwendigkeit einer geringeren Auslösungstemperatur, für die Reibkupplungskomponenten einer Trockenkupplungsanordnung durchgeführt werden kann.
Aus dem Vorstehenden muss klar sein, dass, wenn Wärme darin erzeugt wird, es erforderlich ist, sie von dem Reibelement abzuführen, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, dass die Reibbelagsmaterialproben sich relativ zu einem im Wesentlichen feststehenden Reibelement bewegen, wodurch die Herstellung der verschiedenen elektrischen und flüssigen Verbindungen mit den Kühlmitteln vereinfacht wird. Es muss klar sein, dass, wenn gewünscht, die Reibbelagsmaterialproben auf dem Tisch 12 (der dann der Probenträger wird) getragen werden können und das Reibelement auf einem Elementträger gedreht werden kann, der das Äquivalent zu dem Probenträger 20 ist, vorausgesetzt, eine geeignete Vorkehrung wird in Bezug auf Kühlmittel vorgenommen, die zumindest teilweise drehbar mit dem Reibelement sein sollten.
Es muss klar sein, dass die Dimensionen, Form und Material des Reibelementes von dem vorstehend erwähnten variiert werden können. Ebenso können die Dimensionen und die Anzahl von Reibbelagsmaterialproben auch als eine Auswahlgrundlage variiert werden.

Claims

1. Vorrichtung (10; 100) zum Prüfen des Abriebverhaltens von trockenem Reibbelagsmaterial (31; 32) in einer Reibkupplung (30) mit einer relativ beweglichen Reibungsfläche (33), gegen die es wiederholt gepresst wird, wobei die Vorrichtung umfasst

(i) einen Elementträger (12), der zum Tragen eines Reibelementes (34) aus wärmeleitfähigem Material mit einer Reibfläche angeordnet ist, wobei der Elementträger in der Ebene der Reibfläche beweglich ist,

(ii) einen Probenträger (20) für mindestens eine Probe des Reibbelagsmaterials, der gegenüberliegend zu dem Reibelement angeordnet ist,

wobei eines der Element- und Probenträger (12) einen Tisch (12) enthält, der innerhalb von Beschränkungsgrenzen drehbar ist, und wobei der andere der Träger (20) drehbar bezüglich des Tisches ist,

(iii) Trägerantriebsmittel (22, 23), die angeordnet sind, um einen der anderen Träger und die Reibkupplungskomponente darauf orthogonal und parallel bezüglich des Tisches und der Reibkupplungskomponente darauf zu bewegen, um einen Schleifkontakt zwischen der Reibfläche und jeder berührenden Probe zu erzeugen und zu unterbrechen, und gekennzeichnet ist durch

(iv) betriebsbereite Messmittel (52, 16), um die Temperatur des Reibelementes zu fühlen, und als Antwort auf Reibung zwischen der Reibungsfläche und dem Reibbelagsmaterial, die Drehung des Tisches zu beschränken und die Kraft zu messen, die an den Tisch durch das Reibelement angelegt ist,

(v) betriebsbereite Steuermittel (50), um die Trägerantriebsmittel zu steuern, um eine Reibungskopplung als Antwort auf die Temperatur des Reibungselementes zu erzeugen, die unterhalb einer vorherbestimmten Auslösetemperatur ist, und

(vi) betriebsbereite Kühlmittel (40; 400), um Wärme zwangsläufig von dem Reibungselement abzuführen, um es auf die vorherbestimmte Auslösungstemperatur herabzusetzen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel (40; 400) Wärmeaustauschermittel (41) enthalten, in denen 'eine Kühlflüssigkeit zum Durchfließen über einen Wärmeleiter (44) in einer Wärmeleitungsbahn angetrieben wird, die das Reibelement umfasst.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschermittel (41) einen befestigten Behälter (42) mit mindestens einer Wand (44) in Thermokontakt mit dem Reibungselement, betriebsbereite Einlass- und Auslassschlitze (45, 46) zum Hereinlassen und Entfernen der Kühlflüssigkeit und eine Quelle für Kühlflüssigkeit (47) enthält, die angeordnet ist, um sie zu dem Behältereinlassschlitz (45) mit einer vorherbestimmten Rate zu liefern.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand (44) des Behälters eine Vielzahl von Kühlrippen (44A1 ... 44BN) hat, die sich davon in den Behälter zwischen den Einlass- und den Auslassschlitzen erstrecken.

5. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit Wasser ist, die Quelle (47) lokal kaltes Hauptversorgungswasser ist, und das Wasser zu dem Behälter bei der Umgebungstemperatur der Hauptversorgung geliefert wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wenn der von Anspruch 4 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (42) angeordnet ist, um darin eine Flüssigkeitsansammlung zurückzuhalten.

7. Vorrichtung (10) gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel (40) thermoelektrische Kühlmittel (75) umfassen, die mindestens ein thermoelektrisches Kühlelement (76&sub1;) haben, das zwischen und in Thermokontakt mit den Wärmeaustauschermitteln (41) und einem Reibungselement (34) und Energieversorgungmitteln (78) angeordnet ist, die angeordnet sind, um einen vorherbestimmten Strompegel zu jedem thermoelektrischen Kühlelement zu liefern.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlmittel (75) einen ersten Körper (44), der die Wärmeaustauschermittel enthält oder thermisch damit verbunden ist, und einen zweiten Körper (70), der das Reibungselement enthält oder thermisch damit verbunden ist, und Klemmittel (77) umfassen, die angeordnet sind, um die ersten und zweiten Körper zusammen einzuspannen, um jedes thermoelektrische Kühlmittel dazwischen einzuschieben.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die durch eine Schicht eines elastischen, zusammendrückbaren, wärmeleitfähigen Materials (79) gekennzeichnet ist, das zwischen dem zweiten Körper und der Oberfläche von jedem thermoelektrischen Element angeordnet ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlmittel (75) eine Vielzahl von thermoelektrischen Kühlmitteln (76&sub1;-76&sub8;) enthalten, die in einer im wesentlichen ebenen Fläche hauptsächlich in einer Linie mit den Reibelementen angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlmittel (75) angeordnet sind, um eine Temperaturdifferenz zwischen der Kühlflüssigkeit, einer Versorgungstemperatur und einem ausgeschaltetem Reibungselement im Bereich zwischen 30ºC bis 50ºC zu definieren.

12. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel (40; 400) betriebsbereite Umschließungsmittel (60) umfassen, um eine Umgebung für das Reibungselement und eine Reibstoffprobe zu definieren, die hauptsächlich wasserfrei ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschließungsmittel (60) eine flexible, zur Ausdehnung zwischen dem Reibungselement und der Reibbelagsmaterialprobe angeordnete Verkleidung (61) und eine Versorgung von im wesentlichen trockenen und mit jeder Komponente der Reibkupplung unreaktiven Gas (64, 65) enthält, die angeordnet sind, um das Gas zu der Verkleidung zu liefern, um darin einen Druck, der den Umgebungsatmosphärendruck übersteigt, aufrecht zu erhalten.