Фрикционное изделие

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к фрикционным изделиям, содержащим полимерный композиционный фрикционный элемент. Фрикционное изделие содержит металлический каркас и расположенный на металлическом каркасе полимерный композиционный фрикционный элемент. Полимерный композиционный фрикционный элемент состоит из слоев, каждый из которых состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей). Полимерный композиционный фрикционный элемент выполнен не менее чем из трех слоев, включая размещенный на рабочей поверхности элемента слой, выполненный из неотвержденной полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), и имеющий массовое соотношение полимерной матрицы к наполнителю (или наполнителям) больше, чем соотношение полимерной матрицы к наполнителю (или наполнителям) в слое (или слоях) полимерного композиционного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем на рабочей поверхности и слоем, контактирующим с металлическим каркасом. Слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое соотношение матрицы к наполнителю больше, чем соотношение матрицы к наполнителю в слое (или слоях) полимерного композиционного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем, контактирующим с металлическим каркасом, и слоем, размещенным на рабочей поверхности. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик изделия в процессе приработки путем снижения вибраций за счет повышения демпфирующей способности слоистого полимерного композиционного элемента изделия, а также уменьшение времени приработки за счет повышения возможности шаржирования рабочей поверхности изделия в начальный период эксплуатации.

 

Заявляемое изобретение относится к машиностроению, а именно к фрикционным изделиям, содержащим полимерный композиционный фрикционный элемент, совмещенный с металлическим каркасом, и эксплуатирующимся во фрикционных узлах автотракторной техники, различных машин и оборудования (колодки дисковых и барабанных тормозов автомобилей, тракторов и др.).

Аналогом заявляемого изобретения является фрикционное изделие, содержащее полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из полимерного фрикционного композита, при этом на рабочей поверхности элемента размещен поверхностный слой, выполненный из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), и имеющий массовое соотношение матрицы к наполнителю (наполнителям) большее, чем соотношение полимерной матрицы и наполнителей в полимерном фрикционном композите, из которого выполнен фрикционный элемент (см. патент РФ №2187025, МПК⁷ F 16 D 69/02, 2002). Существенные признаки аналога "полимерный композиционный фрикционный элемент, выполненный из полимерного фрикционного композита, на рабочей поверхности элемента размещен поверхностный слой, выполненный из полимерной матрицы и наполнителя (наполнителей), имеющий массовое соотношение матрицы к наполнителю (или наполнителям) больше, чем соотношение полимерной матрицы и наполнителей в полимерном фрикционном композите, из которого выполнен фрикционный элемент" совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком аналога являются повышенные вибрации при эксплуатации в процессе приработки, что обусловлено недостаточной демпфирующей способностью слоистого полимерного композиционного элемента, зажатого при торможении между металлическим контртелом и металлическим каркасом. Каркас и, в особенности, контртело могут иметь колебания толщины, некоторую непараллельность и т.п., что существенно повышает возможность вибрации, которая должна компенсироваться фрикционным элементом.

Прототипом заявляемого изобретения является фрикционное изделие, содержащее металлический каркас и расположенный на металлическом каркасе полимерный композиционный фрикционный элемент, состоящий не менее, чем из двух слоев, каждый из которых состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), при этом слой фрикционного элемента, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое соотношение матрицы к наполнителю (или наполнителям) больше, чем другие слои (см. патент РФ №2 117 197, МПК⁶ F 16 D 69/00, 1998). Существенные признаки прототипа "металлический каркас и расположенный на металлическом каркасе полимерный композиционный фрикционный элемент, состоящий из слоев; состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), при этом слой фрикционного элемента, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое соотношение матрицы к наполнителю (или наполнителям) больше" совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком прототипа также являются повышенные вибрации при эксплуатации в процессе приработки, обусловленные недостаточной демпфирующей способностью слоистого полимерного композиционного элемента.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик изделия в процессе приработки путем снижения вибраций за счет повышения демпфирующей способности слоистого полимерного композиционного элемента изделия. Другим видом технического результата, получение которого может обеспечить заявляемое изобретение, является уменьшение времени приработки за счет повышения возможности шаржирования рабочей поверхности изделия в начальный период эксплуатации.

Для достижения указанного технического результата во фрикционном изделии, содержащем металлический каркас и расположенный на металлическом каркасе полимерный композиционный фрикционный элемент, состоящий из слоев, каждый из которых состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), полимерный фрикционный элемент выполнен не менее, чем из трех слоев, включая размещенный на рабочей поверхности элемента слой, выполненный из неотвержденной полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), и имеющий массовое соотношение связующего к наполнителю (или наполнителям) больше, чем соотношение полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей) в слое (или слоях) полимерного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем на рабочей поверхности и слоем, контактирующим с металлическим каркасом, при этом слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое соотношение матрицы к наполнителю больше, чем соотношение матрицы к наполнителям в слое (или слоях) полимерного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем, контактирующим с металлическим каркасом, и слоем, размещенном на рабочей поверхности.

Существенные признаки заявляемого изобретения "полимерный фрикционный элемент выполнен не менее, чем из трех слоев, включая размещенный на рабочей поверхности элемента слой, выполненный из неотвержденного (несшитого) полимерного связующего и наполнителя (или наполнителей) и имеющий массовое соотношение связующего к наполнителю (или наполнителям) больше, чем соотношение полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей) в слое (или слоях) полимерного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем на рабочей поверхности и слоем, контактирующим с металлическим каркасом, при этом слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое соотношение матрицы к наполнителю больше, чем соотношение матрицы к наполнителям в слое (или слоях) полимерного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем, контактирующим с металлическим каркасом, и слоем, размещенном на рабочей поверхности" являются отличительными от признаков прототипа.

Фрикционное изделие содержит металлический каркас, совмещенный (например, путем приформовывания) с полимерным композиционным фрикционным элементом, выполненным из полимерного композита (композитов). В качестве полимерной основы (матрицы) композита могут использоваться отвержденные смолы, вулканизованные каучуки или смеси отвержденных смол и вулканизованных каучуков. В качестве наполнителей могут использоваться волокнистые материалы, например, минеральные волокна, стальные волокна, полиарамидные волокна и др., или их смеси. Также в состав наполнителей могут входить дисперсные материалы, например, технический углерод, другие углеродные материалы, барит и т.д. или их смеси. Фрикционный элемент выполнен не менее, чем из трех слоев: слоя, контактирующего с металлическим каркасом; наружного слоя, размещенного на рабочей поверхности изделия; и размещенного между ними центрального слоя (или нескольких центральных слоев). При этом для фрикционного композита центрального слоя (или слоев) соотношения между матрицей и наполнителями составляет обычно: матрицы 5÷40 мас.%, наполнители 60÷95 мас.%. Слой фрикционного элемента, контактирующий с каркасом, выполнен из композита, имеющего соотношение между матрицей и наполнителем (наполнителями): матрицы 77÷100 мас.%, наполнитель 0÷33 мас.%. Слой, размещенный на рабочей поверхности (поверхности фрикционного элемента, противоположной металлическому каркасу и входящей при эксплуатации во фрикционный контакт с контртелом), выполнен из неотвержденной смолы (или невулканизованного каучука, или их смесей) и наполнителя (наполнителей) при следующем соотношении между матрицей и наполнителем: матрицы 77÷100 мас.%, наполнитель 0÷33 мас.%. При этом предпочтительно использование в качестве полимеров для матриц слоев одного и того же полимера или сходных полимеров (одного класса, группы и т.д.).

Изготавливаться заявляемое изделие может известными методами, например, приформовыванием к металлическому каркасу формовочной смеси. При этом поверхность металлического каркаса, к которой приформовывается полимерный фрикционный элемент, предварительно покрывается полимерной композицией, например, путем обработки содержащим наполнитель раствором полимера (возможно покрытие только полимером, раствор которого используется без наполнителя) и последующей сушкой. Затем на каркас наносится слой (или слои) из формовочных смесей необходимого состава и осуществляется формование и термообработка изделия, в результате чего образуются полимерные композиты. Затем изделие подвергается механической обработке и на рабочую поверхность изделия наносится поверхностный слой.

Конкретным примером заявляемого изделия является полимерное композиционное фрикционное изделие, содержащее плоский металлический каркас (колодка дискового тормоза легковых автомобилей) и фрикционный элемент, состоящий из четырех слоев полимерных фрикционных композитов. Слой, контактирующий с металлическим каркасом, толщиной до 0,5 мм, включает 80 мас.% полимерной матрицы на базе фенолформальдегидной смолы (СФП) и 20 мас.% дисперсного технического углерода. Центральный слой толщиной 20÷30 мм содержит 20 мас.% полимерной матрицы на базе фенолформальдегидной смолы, волокнистые наполнители (стальные волокна, минеральная вата, стекловолокна) в количестве 20 мас.%, порошкообразные наполнители (барит, глинозем и др.) - 60 мас.%. Расположенный между указанными слоями дополнительный слой толщиной 2÷5 мм содержит 30 мас.% полимерной матрицы на базе фенолформальдегидной смолы, волокнистые наполнители в количестве 19 мас.% и порошкообразные наполнители в количестве 51 мас.%. Поверхностный слой на рабочей поверхности фрикционного элемента имеет толщину до 0,5 мм и включает ˜80 мас.% фенолформальдегидной смолы и ˜20 мас.% дисперсного технического углерода. Поверхностный слой выполнен, например, путем нанесения тампоном на рабочую поверхность содержащего наполнитель раствора смолы с последующей сушкой от растворителя.

Наличие в период приработки во фрикционом изделии слоев, контактирующих соответственно с металлическим каркасом и металлическим контртелом, и имеющих большее количество полимерной матрицы, чем остальные слои фрикционного элемента, повышает демпфирующую способность фрикционного элемента изделия, поскольку полимерная матрица имеет значительно лучшие показатели по сжимаемости под нагрузкой и восстанавливаемости после снятия нагрузки, чем другие компоненты фрикционного композита. В результате снижается возможность повышенной вибрации при эксплуатации изделия в процессе приработки. Кроме того, наличие в период приработки на рабочей поверхности изделия дополнительного слоя из неотвержденного (несшитого) полимера способствует шаржированию этой поверхности различными частицами, в результате чего абразивные свойства поверхности повышаются и приработка ускоряется. В процессе приработки поверхностный слой истирается и абразивные свойства рабочей поверхности фрикционного элемента возвращаются к обычному состоянию. В результате продолжительность периода приработки снижается.

Фрикционное изделие, содержащее металлический каркас и расположенный на металлическом каркасе полимерный композиционный фрикционный элемент, состоящий из слоев, каждый из которых состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей), отличающееся тем, что полимерный композиционный фрикционный элемент выполнен не менее чем из трех слоев, включая размещенный на рабочей поверхности элемента слой, выполненный из неотвержденной полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей) и имеющий массовое отношение полимерной матрицы к наполнителю (или наполнителям) большее, чем отношение полимерной матрицы к наполнителю (или наполнителям) в слое (или слоях) полимерного композиционного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем на рабочей поверхности и слоем, контактирующим с металлическим каркасом, при этом слой, контактирующий с металлическим каркасом, имеет массовое отношение матрицы к наполнителю большее, чем отношение матрицы к наполнителю в слое (или слоях) полимерного композиционного фрикционного элемента, размещенном (или размещенных) между слоем, контактирующим с металлическим каркасом, и слоем, размещенным на рабочей поверхности.