Армирующий наполнитель, фрикционный полимерный композиционный материал и тормозная автомобильная колодка

 

Армирующий наполнитель представляет собой высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей, или из стеклянной и базальтовой нитей, или из базальтовой и медной нитей. Фрикционный полимерный композиционный материал имеет в качестве наполнителя упомянутый армирующий наполнитель, а в качестве связующего - фенольную смолу. Массовое соотношение наполнителя и полимерной матрицы в материале составляет 70 ± 5 : 30 ± 5. Тормозной элемент, например тормозная колодка, содержит несущую арматуру и жестко закрепленный на ней фрикционный элемент, выполненный из упомянутого фрикционного композиционного материала. Техническим результатом, является то, что изделие имеет фрикционные характеристики, не зависящие от времени и условий эксплуатации тормозного элемента, высокую прочность на срез и сжатие, стойкость к растрескиванию и высокую износостойкость. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к фрикционным полимерным композиционным материалам, наполнителям для них и изделиям из этих материалов, в частности к тормозным автомобильным колодкам, дискам сцепления и фрикционным деталям тормозных механизмов машин, применяемых в различных областях техники.

Современный уровень в этой области техники характеризуется переходом от использования асбестосодержащих наполнителей для фрикционных композиционных материалов к безасбестовым. Это связано с чрезвычайно высокой вредностью мелкодисперсной асбестовой пыли для здоровья человека.

В большом числе технических решений предлагается использовать текстильные наполнители в сочетании с порошками различных минералов, химическими веществами, металлической стружкой. Текстильные наполнители представляют собой либо мелкорубленные нити и волокна, либо трехмерные пространственные структуры, например ткани.

Так, из заявки ФРГ N 3930402, C 08 J 5/14, опубликованной в 1991 г., поданной японской фирмой "Honda Kogio K.K.", известен наполнитель для фрикционного полимерного композиционного материала, который содержит фибрилированные углеродные и арамидные волокна, медно-цинковый порошок, графит, дисульфид молибдена, диоксид кремния. Наполнитель смешивают со связующим на основе фенольной смолы, отверждают и получают материал, из которого изготавливают фрикционную накладку для тормозной автомобильной колодки.

Из авторского свидетельства СССР N1556989, C 08 J 5/14 известен полимерный композиционный материал, выполненный на основе фенолформальдегидной матрицы и содержащий бутадиеннитрильный каучук, базальтовое, стеклянное и углеродное волокна, бронзовую стружку, медный порошок и другие целевые добавки. Материал получается в результате двухстадийного прессования и используется в качестве фрикционной накладки тормозной автомобильной колодки.

Физико-механические свойства изделия, получаемого из указанного материала, следующие: Предел прочности соединения накладки с металлической арматурой, кН: при комнатной температуре - 26,3 - 27,5 после теплового воздействия при температуре 600 ^oC в течение 1 ч - 3,9 - 4,1 Интенсивность износа накладки, м³/Дж · 10^-12 - 0,33 - 0,40 Динамический коэффициент трения при 150^oC - 0,27 - 0,30 Из патента ФРГ N3617846, F 16 D 69/04, опубликованного в 1991 г. и выданного на имя фирмы Textar, известна тормозная автомобильная колодка, состоящая из металлической пластины (арматура), промежуточного слоя, представляющего собой полимерный композиционный материал с наполнителем из стеклоткани и матрицы на основе фенолкреозольного новолака, и фрикционного слоя. Все слои колодки соединяются в пресс-форме под действием давления при нагревании. Использование промежуточного слоя решает задачу повышения прочности фрикционной накладки на срез.

Все приведенные технические решения характеризуются тем, что фрикционный полимерный композиционный материал образован из смеси мелкодисперсных наполнителей в жидком связующем, причем связующим служит фенолформальдегидная смола или лаки на ее основе. Поэтому этим техническим решениям свойственны одни и те же недостатки.

В отличие от других связующих, применяемых в производстве композиционных материалов, полимеризованная фенолформальдегидная смола при нагреве свыше 260^oC коксуется, сохраняя прочностные характеристики композита. Однако при этом в составе материала появляется графит, обладающий низкими фрикционными свойствами.

Фрикционные свойства тормозной накладки определяются мозаикой ингредиентов наполнителя и площадью полимерной матрицы на ее рабочей поверхности. При "смесевой" технологии изготовления матрица занимает свыше 90% площади рабочей поверхности накладки, поэтому динамический коэффициент трения всех без исключения накладок, полученных по этой технологии, определяется графитом полимерной матрицы и не превышает 0,3. Он не зависит от числа и количественного соотношения веществ-наполнителей и "целевых" добавок. Этот вывод подтверждается материалами технических условий на тормозные автомобильные колодки и диски сцепления российских автомобильных заводов: при испытаниях "новых" изделий, поступивших с завода-изготовителя, динамический коэффициент трения изделия может составлять 0,45 ... 0,52, но быстро снижается до значения 0,3 с ростом температуры на фрикционном контакте. Повторные испытания показывают, что этот коэффициент сохраняется на уровне 0,3 во всем диапазоне температур, соответствующем условиям работы фрикционного механизма.

Закоксованная матрица фрикционной накладки, изготовленной по "смесевой" технологии, отличается хрупкостью и при нагрузках, действующих во время торможения автомобиля, растрескивается. Мелкодисперсные наполнители не препятствуют этому явлению, т.к. не образуют монолитного слоя. Поэтому износ тормозной накладки осуществляется не только путем истирания, но и за счет выкрашивания материала по кромкам микротрещин.

Среди аналогов, в которых в качестве наполнителя использована объемная текстильная структура, можно назвать следующие.

Известна заявка ФРГ N4018671, C 08 J 5/14, опубликованная в 1990 г. и поданная японской фирмой Toyota Jidoska K.K. Согласно этой заявке диск сцепления автомобиля изготавливают из двух частей: основной и усилительной. Усилительную часть выполняют из стеклянного однонаправленного жгута и полиамидных штапельных волокон, которые пропитывают полимерным связующим, содержащим фенольную смолу и бутадиеновый каучук, и скручивают в шнур. Затем из шнура образуют диск, укладывая его спиралью, и прессуют. Основную часть прессуют при комнатной температуре из смеси фенольной смолы, мелкодисперсных наполнителей и целевых добавок (рубленые стеклянные волокна, полиамидные волокна Kevlar и др.). Усилительную и основную части соединяют в пресс-форме и прессуют под давлением при нагревании в течение 3 - 6 ч.

Наиболее близкое к предмету изобретения техническое решение, которое может быть взято за прототип, представлено в заявке ФРГ N4010694, C 08 J 5/04, опубликованной в 1991 г. В ней защищается усиленная волокнами заготовка (препрег) из текстильного материала-наполнителя, пропитанного термореактивной смолой, весовая доля которой в препреге составляет 30 - 70%. Наполнитель может представлять собой ткань преимущественно из высокопрочных текстурированных полиакрилнитрильных нитей. В качестве связующего используют модифицированную фенольную смолу, содержащую до 25% фторполимера. Способ изготовления фрикционного полимерного композиционного материала заключается в том, что полученную вышеуказанным методом заготовку складывают в несколько слоев и формуют в пресс-форме при температуре 160 ^oC под давлением 5 - 6 МПа.

Изготовленную таким образом фрикционную накладку жестко закрепляют на стальной несущей пластине и получают тормозной элемент для движущихся механизмов, например тормозную колодку.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что полиакрилнитрильные нити имеют относительно низкую температуру разрушения и пригодны лишь для ограниченного ассортимента фрикционных материалов. Замена их другими нитями, например, стеклянными, приводит к тому, что многослойный материал не выдерживает срезающих нагрузок и растрескивается по слоям ткани.

Задачей изобретения является создание нового армирующего наполнителя, фрикционного полимерного композиционного материала на основе этого наполнителя и тормозного элемента движущегося механизма, например автомобильной колодки, которые имеют заданные фрикционные характеристики, не зависящие от времени и условий эксплуатации тормозного элемента, высокую прочность на срез и сжатие, стойкость к растрескиванию и высокую износостойкость.

Поставленная задача решается следующим образом. В качестве армирующего наполнителя для изготовления фрикционного полимерного композиционного материала на основе текстильного трехмерного изделия предложено высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной или из стеклянной и базальтовой, или из стеклянной и медной, или из базальтовой и медной нитей так, что сохранена целостность стеклянных и базальтовых волокон. При этом динамический коэффициент трения фрикционной накладки по стали или чугуну при температуре 200 ^oC и скорости скольжения 3,14 м/с определяется соотношением объемных долей компонентов в трикотажном полотне в соответствии с равенством f = 0,438 - 0,0013x1 + 0,0229x2 - 0,00068(x2)². (1) где f - динамический коэффициент трения;
x1 - объемная доля стеклянной нити в трикотажном полотне, %, (0 < x1 < 86);
x2 - объемная доля медной нити в трикотажном полотне, %, (0 < x2 < 28);
объемная доля x3 (%) базальтовой нити в трикотажном полотне составляет x3 = 100 - x1 - x2.

Выбор значений x1, x2 ограничен зависимостью
(x1/43)² + (x2/14)² = 1,
если центр системы координат находится в середине допустимого интервала значений переменных, т.е. -43 < x1 < +43; -14 < x2 < +14.

Во фрикционном полимерном композиционном материале, состоящем из армирующего наполнителя и полимерной матрицы, предложено в качестве наполнителя использовать высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей или из стеклянной и базальтовой, или стеклянной и медной, или из базальтовой и медной нитей так, что сохранена целостность стеклянных и базальтовых волокон, в котором соотношение объемных долей компонентов определяется равенствами (1) и (2), и в качестве связующего - фенольную смолу, причем весовое соотношение наполнителя и полимерной матрицы во фрикционном материале составляет 70±5 : 30±5.

В тормозной автомобильной колодке, состоящей из несущей арматуры и жестко закрепленной на ней накладки, выполненной из фрикционного полимерного композиционного материала, содержащего армирующий наполнитель и полимерную матрицу, в качестве фрикционного материала предложено применить материал на основе высокопрочного трикотажного полотна и полимерной матрицы на основе фенольной смолы, взятых в соотношении 70±5 : 30±5.

Изобретение поясняется примерами, иллюстрированными чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - автомобильная колодка для дискового тормоза; на фиг. 2 - фрикционная накладка для барабанного тормоза.

Армирующий наполнитель для изготовления фрикционного полимерного композиционного материала согласно изобретению представляет собой высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей, или из стеклянной и базальтовой, или из стеклянной и медной, или из базальтовой и медной нитей так, что сохранена целостность стеклянных и базальтовых волокон. При этом динамический коэффициент трения фрикционной накладки по стали или чугуну при температуре 200 ^oC и скорости скольжения 3,14 м/с определяется соотношением объемных долей компонентов в трикотажном полотне в соответствии с равенством
f = 0,438 - 0,0013x1 + 0,0229x2 - 0,00068(x2)²,
где
f - динамический коэффициент трения;
x1 - объемная доля стеклянной нити в трикотажном полотне, %, (0 < x1 < 86);
x2 - объемная доля медной нити в трикотажном полотне, %, (0 < x2 < 28).

Объемная доля x3 (%) базальтовой нити в трикотажном полотне составляет x3 = 100 - x1 - x2.

Выбор значений x1, x2 ограничен зависимостью (x1/43)² + (x2/14)² = 1, если центр системы координат находится в середине допустимого интервала значений переменных, т.е.

-43 < x1 < +43, -14 < x2 < +14.

В табл. 1 представлены значения динамического коэффициента трения f накладки в соответствии с зависимостью (1).

По данным табл. 1 можно подобрать сырьевой состав трикотажного полотна таким образом, чтобы получить фрикционную накладку с желаемым динамическим коэффициентом трения. Видно, что близким значением f соответствуют разные по сырьевому составу трикотажные полотна. Это позволяет подбирать сырьевой состав наполнителя с учетом не только фрикционной характеристики, но и по другим показателям качества фрикционной накладки: ударной вязкости, температуропроводности и т.п.

Фрикционный полимерный композиционный материал согласно изобретению состоит из армирующего наполнителя и полимерной матрицы. В качестве наполнителя использовано высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей или из стеклянной и базальтовой, или из стеклянной и медной, или из базальтовой и медной нитей так, что сохранена целостность стеклянных и базальтовых волокон, в котором соотношение объемных долей компонентов определяется равенствами (1) и (2). В качестве связующего применена фенольная смола. Весовое соотношение наполнителя и полимерной матрицы во фрикционном материале составляет 70±5 : 30±5.

Экспериментальные исследования девяти фрикционных материалов на основе трикотажных полотен разного сырьевого состава показали, что скорость их истирания практически одинакова и существенно меньше скорости истирания материалов, изготовленных по "смесевой" технологии, т.е. износ тормозных колодок, выполненных по настоящему изобретению, не зависит от выбора сырьевого состава наполнителя и определяется только его петельной структурой.

Фрикционные полимерные композиционные материалы согласно изобретению имеют следующие физико-механические и другие свойства (табл. 2).

Тормозная автомобильная колодка согласно изобретению, например, для дискового тормоза автомобиля состоит из несущей арматуры 1 (фиг. 1), представляющей собой плоскую пластину с направляющими 2 для установки колодки в тормозном устройстве, и жестко закрепленной на ней накладки 3. Тормозная колодка для барабанного тормоза состоит из арматуры 4 (фиг. 2), представляющей собой рычаг, монтируемый внутри тормозного барабана, и жестко закрепленной на ней серповидной накладки 5. Накладки обоих конструктивных вариантов тормозной колодки выполнены из фрикционного полимерного композиционного материала, содержащего армирующий наполнитель - трикотажное полотно - и полимерную матрицу на основе фенольной смолы в соотношении 70±5 : 30±5.

Экспериментальная партия дисковых тормозных автомобильных колодок, фрикционная накладка которых имела динамический коэффициент трения, равный 0,6, опробована на спортивном легковом автомобиле ВАЗ 2109 во время испытаний автомобиля и его предстартовой подготовки, а также в кольцевых гонках. Установлено, что растрескивания накладок не наблюдается, износ их за время двухмесячной эксплуатации составил 2 мм и фрикционные свойства не ухудшались несмотря на то, что температура на фрикционном контакте длительное время составляла 650-700^oC. Это указывает на универсальность фрикционного материала по настоящему изобретению: он может применяться на легковых автомобилях любого назначения, в том числе спортивного.

Практическое применение предложенного фрикционного полимерного композиционного материала и изделий из него не ограничивается автомобилестроением. Его можно использовать в тормозных устройствах мотоциклов, мотороллеров, промышленных швейных машин, лебедок, прессов и других машин.

Формула изобретения

1. Армирующий наполнитель для изготовления фрикционного полимерного композиционного материала, отличающийся тем, что он представляет собой трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей, или из стеклянной и базальтовой нитей, или из базальтовой и медной нитей.

2. Фрикционный полимерный композиционный материал, состоящий из армирующего наполнителя и полимерной матрицы, отличающийся тем, что в качестве наполнителя использовано трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей, или из стеклянной и базальтовой нитей, или из базальтовой и медной нитей, в котором соотношение объемных долей нитей определяется равенством
f = 0,438 - 0,0013х1 + 0,0229х2 - 0,00068(х2)²,
где f - динамический коэффициент трения фрикционного материала по стали или чугуну при температуре 200^oC и скорости скольжения 3,14 м/с;
х1 - объемная доля стеклянной нити в трикотажном полотне, %,(0 < х1 < 86);
х2 - объемная доля медной нити в трикотажном полотне, %,(0 < х1 < 28),
объемная доля х3 (%) базальтовой нити в трикотажном полотне составляет х3 = 100 - х1 - х2, выбор значений х1, х2 ограничен зависимостью
(х1/43 + 1)² + (х2/14 + 1)² = 1.

3. Материал по п.2, отличающийся тем, что в полимерной матрице в качестве связующего применена фенольная смола.

4. Материал по п. 2, отличающийся тем, что массовое соотношение армирующего наполнителя и полимерной матрицы составляет 70±5 : 30±5.

5. Тормозной элемент, например тормозная автомобильная колодка, состоящая из несущей арматуры и жестко закрепленной на ней накладки, выполненной из фрикционного полимерного композиционного материала, отличающийся тем, что фрикционный полимерный композиционный материал состоит из амирующего наполнителя и полимерной матрицы, в качестве наполнителя использовано трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей, или из стеклянной и базальтовой нитей, или из базальтовой и медной нитей, причем объемное соотношение нитей определяется равенством
f = 0,438 - 0,0013х1 + 0,0229х2 - 0,00068(х2)²,
где f - динамический коэффициент трения фрикционного материала по стали или чугуну при температуре 200^oC и скорости скольжения 3,14 м/с;
х1 - объемная доля стеклянной нити в трикотажном полотне, %,(0 < х1 < 86);
х2 - объемная доля медной нити в трикотажном полотне, %,(0 < х1 < 28),
объемная доля х3 (%) базальтовой нити в трикотажном полотне составляет х3 = 100 - х1 - х2, выбор значений х1, х2 ограничен зависимостью
(х1/43 + 1)² + (х2/14 + 1)² = 1.

в полимерной матрице в качестве связующего применена фенольная смола, а массовое соотношение армирующего наполнителя и полимерной матрицы в нем 70±5:30±5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5