Фрикционный диск на основе углерода

 

Использование: в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других областях техники. Сущность изобретения: фрикционные накладки диска выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину , большую толщины слоя дискретных волокон силового каркаса диска, а толщина упомянутого слоя каркаса составляет 10- 80% толщины слоя непрерывных углеродных нитей этого каркаса. При этом отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретных умеродных волокон в силовом каркасе наводится в пределах 5-20. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 5002596/27 (22) 01.08,9.1 (46) 23,04,93. Бюл. 1ч. 15 (71) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (72) В,В. Кулаков, Г,В, Загайнова, А,И, Павлова, C,В. Шулепова и А.В. Демин (73) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (56) Патент США N 3552533, кл. F 16 D 13/60; 1971.

Патент Франции М 2111313, кл, F 16 D 69/00, 1972, и

Авторское свидетельство СССР

N 1208367, кл, F 16 D 69/00, 1986.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности,.к фрикционным дискам на основе углерода, применяющимся в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других областях техники.

Целью изобретения является увеличе- ние стабильности физико-механических и фрикционных характеристик фрикционного диска на основе углерода в условиях повышенных динамических нагрузок, Указанная цель достигается тем, что фрикционный диск на основе углерода содержит силовой каркас из чеоедчюшихся слоев непрерывных углеродных нитей и дискретных углеродных волокон и фрикционные накладки из слоя дискретных углеродных волокон, расположенные по обе стороны от силового каркаса, причем фрикционные накладки и силовой каркас пропи„„. Ж„„1811569 А3 (si)s F 16 0 69/00 (54) ФРИКЦИОННЫЙ ДИСК HA ОСНОВЕ

УГЛЕРОДА (57) Использование: в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других областях техники, Сущность изобретения: фрикционные накладки диска выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискретных волокон силового каркаса диска, а толщина упомянутого слоя каркаса составляет 1080 jo толщины слоя непрерывных углеродных нитей этого каркаса. При этом отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретных углеродных волокон в силовом каркасе находится в пределах 5 — 20. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. таны и связаны друг с другом углеродным связующим; фрикционные накладки выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискретных волокон в силовом каркасе, а .толщина слоя дискретных волокон в силовом каркасе составляет 10 — 80% тол(цины слоя непрерывных нитей, Цель достигается также тем, что отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретных углеродных волокон в силовом каркасе находится в пределах 5 — 20, Выполнение фрикционных накладок предлагаемого диска s виде одного утолщенного слоя дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа исключает контактирование при трении разноименных

1811559

Режим 1

Режим 2

1,02 х10 2,,6 х 10"

Поглощаемая кинетическая энергия, кгс м

Давление, кгс/см

Скорость начала торможения. м/сек

7,5 слоев. При отсутствии во фрикционных накладках низкомодульных армирующих наполнителей обеспечиваются оптимальные условия для образования на их поверхности в процессе торможения тонких пленок, оказывающих определяющее влияние на износостойкость. Кроме того, высокомодульные волокна имеют наибольшую теплопроводность, что обеспечивает теплоотвод с поверхности диска, Данный эффект в наибольшей степени проявляется лишь в том случае, если в силовом каркасе также расположены аналогичные высокомодульные волокна, При этом соотношение толщин слоев дискретных и непрерывных волокон взаимосвязано с толщиной фрикционной накладки, а верхний предел содержания высокомодульных волокон в силовом каркасе ограничен необходимостью обеспечения прочности, Экспериментально установлено, что при использовании в изготовлении фрикционного диска дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и отношении толщины слоя таких волокон во фрикционных накладках к-толщине их слоя в силовом каркасе в пределах от 5 до 20, при условии, что толщина слоя дискретных волокон в силовом каркасе составляет 10-80% толщины слоя непрерывнь1х волокон, достигается наиболее равномерное распределение тепла в обьеме диска и снижение интенсивности окислительных процессов, приводящее к увеличению стабильности прочностных и фрикционных характеристик фрикционного диска на основе углерода в условиях повышенных динамических нагрузок, что иллюстрируется приведенными ниже примерами.

Известные фрикционные диски не обладают вышеуказанными свойствами и не обеспечивают их эксплуатацию в данных условиях, На фиг.1 показан фрикционный диск; на фиг.2 — сечение А-А на фиг,1, Фрикционный диск состоит из двух наружных фрикционных накладок 1 и внутреннего силового каркаса 2, Наружные фрикционные накладки 1 состоят из слоя дискретных высокомодульных волокон 3, увеличенной толщины. Внутренний силовой каркас 2 состоит иэ слоев меньшей толщины из дискретных углеродных волокон 3, заключенных между параллельно уложенными превосходящими их по толщине слоями из непрерывных углеродных нитей 4.

Фрикционный диск на основе углерода может быть изготовлен следующим образом.

Пример 1, Для изготовления фрикци"0 онного диска используют непрерывные углеродные волокна в виде тканевых раскроев наружным диаметром 530 мм и внутренним диаметром 320 мм, дискретные углеродные волокна длиной от 0,5 до 3 мм и каменноугольный пек с температурой размягчения

70 С. Предварительно го говят смесь дискретных углеродных волокон и порошка пека с размерами частиц не более 0,2 мм, Затем набирают пресспакет, размещая в нижней и верхней его части слои увеличенной толщины смеси дискретных волокон с порошком пека, а в средней части поочередно укладывают тканевые раскрои, и слои смеси дискретных волокон с порошком пека, Иэ пресспакета методом горячего прессования при 150-200 С формуют заготовку, которую подвергают чередующимся циклам карбонизации при 800 — 1250 С и пропитки расплавом пека, а затем термообрабатывают

30 до температуры эксплуатации и пропитывают пиролитическим углеродом до получения необходимой плотности, Диски изготавливали в соответствии с примером 1, но выполняли с применением

35 дискретных волокон с различным модулем и различных типов наполнителей на основе непрерывных углеродных. нитей; изменяли отношение TollU;èíû фрикциоHíûх накладок к толщине слоя дискретных во окон в

40 силовом каркасе и толщину слоя дискретных волокон в силовом каркасе по отношению к толщине слоя непрерывных волокон.

Изменение свойств фрикционных дисков в зависимости от указанных выше факторов в

45 сравнении с прототипом приведены в таблице.

Определение фрикционных характеристик образцов по режимам 1 и 2, приведенным в таблице, проводилось в следующих

50 режимах;

1811569

Фрикционный диск работает следующим образом.

При включении фрикционного устройства (не показано), в котором используется предлагаемый фрикционный диск, на его фрикционные накладки воздействуют сопрягаемыми с ним фрикционными элементами, например колодками, аналогичными дисками(не показаны) и они изнашйваются., Генерируемые в процессе возникшего фрикционного контакта на поверхности трения диска тепловые потоки воспринимаются его фрикционными накладками и за счет их высокой теплопроводности, а также за счет наличия теплопроводных слоев дискретных волокон в силовом каркасе равномерно перераспределяются в объеме диска. В результате этого температурные градиенты выравниваются, интенсивность окислительных процессов падает, а стабильность физико-механических и фрикционных показателей диска увеличивается, Повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик ди. ска особенно важно при его эксплуатации в условиях повышенных динамических нагру зок и, как следует из таблицы, достигается лишь при соблюдении всех необходимых требований к величине модуля упругости используемых в его изготовлении дискретных углеродных волокон, толщине выполняемых из них фрикционных накладок по отношению к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, а также к соотношению толщин слоев дискретных волокон и непрерывных нитей в силовом каркасе(примеры 1,2,4,5,9,10,12). В этом случае достигается эффект снижения потерь прочности в

1,5-2,1 раза, а износостойкости — в 1,3-1,8 раза по отношению к прототипу и полностью исключается возможность разрушения дисков.

Уменьшение модуля упругости используемых s изготовлении диска дискретных волокон (пример 2) вызывает большее снижение его износостойкости из-за отсутствия на его поверхности тонких, способствующих стабилизации износа пленок, Потеря прочности диска также возрастает из-за неравномерного распределения температур на поверхности и в объеме диска и обусловленной им интенсификации окислительных процессов и приводит к разрушению диска в условиях повышенных динамических нагрузок.

55 что отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретных углеродных волокон в силовом каркасе находится в пределах 5 — 20, Снижение отношения толщины фрикционных накладок к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе ниже 5 (пример

6) и толщины слоя дискретных волокон в

5 силовом каркасе ниже 10 толщины слоя непрерывных нитей (пример 8) приводит к возрастанию потери прочности дисков в 2,4 и 2,2 раза и снижению износостойкости в

1,7 и 2,2 раза соответственно, также обус10 ловленным окислительным процессами, При увеличении отношения толщины фрикционных накладок к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе выше 25 (пример 7) и толщины слоя дискретных во15 локон в силовом каркасе выше 80 толщины слоя непрерывных нитей (пример 11) происходит разрушение дисков из-за их недостаточной прочности.

Таким образом, при выполнении фрик20 ционных накладок фрикционного диска на основе углерода из дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа, отношении их толщины к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, 25 находящемся в пределах от 5 до 20 и толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, составляющем от 10 до 80/ толщины слоя непрерывных волокон, достигается повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик в

30 1 5 — 2,1 и 1 3 — 1,8 раза соответственно по сравнению с прототипом в условиях повышенных динамических нагрузок.

Формула изобретения

1, Фрикционный диск на основе углеро35 да, содержащий силовой каркас из чередующихся слоев непрерывных углеродных нитей и дискретных углеродных волокон и фрикционные накладки из слоя дискретных углеродных волокон, расположенные по обе

40 стороны от силового каркаса, причем фрикционные накладки и силовой каркас пропитаны и связаны друг с другом углеродным связующим, отличающийся тем, что фрикционные накладки выполнены из диск45 ретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискретных волокон в силовом каркасе, а толщина слоя дискрет-, ных волокон в силовом каркасе составляет

50 10 — 80 толщины слоя непрерывных волокон, 2. Диск по п.1, о т л-и ч а ю шийся тем, 18 3 1569

»»

»

notepa проч" ности после

50 циклов торюження,2

tttIhÓhÜ упругос» тн ли" скретных угмродteIx aohOKOH гпа доннер рвани

1 реамм

2 режим

1 режим

»»

19 30 16 37

11рототмп

50 5 14 7

10

8

250

То хе и

200

25

350

«11»

350

И»

350

100

350 н

10 10

350

350

350

350

50

Г,.

;»

» 1»

5 6 7, 8

;"9

1О

TIth HehOhHMTCIIx на основе непрерывных углеродных нитей

Радиалью-сли- 350 рально наютанный армиро° очный элемент

Ткань саржевого 350 плета имя

Радиально-спирально на мотанный армироеочный эЛемент

Толяинв каждой

Фрикциомной не» кладки,отноаенне к топамнв слоя дн» скретных углеродных еоло« кон в сн» ловом каркасе

Толхммя слоя дискретных уг" породных волокон е силовом каркасе, Ф от топамны слоя непрерые» ных углеродных нитей

8

21

Рвзру» аение

19

9

Снижение износос той кости после 50 циклов торюжвннй

17 11 29

Разруае- 21 нне

18 9 26

20 10 26

33 29 . 36

Разруае-ние, 31 35 47

18 9 24

20 10 . 27

Разрушв» 29 ние

15 6 21

»»»»»»»»»ы»»»»»»*»»ь»»»

Составитель И.Попов

Техред M.Mîðãåíòàë

Корректор: С,Шекмар.Редактор Т,Иванова

Производствг:. и - издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 1Г!1

Заказ 1464 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5