Изготовление волокнистых заготовок тормозных дисков из композиционных материалов

 

Изобретение относится к области изготовления тормозных дисков из композиционных материалов и, более конкретно изготовления волокнистых заготовок, предназначенных для изготовления тормозных дисков. Заготовку изготавливают путем наложения один на другой и соединения между собой волокнистых слоев. Структурированные волокнистые слои используют для образования по меньшей мере одной первой части заготовки, предназначенной для образования волокнистой основы сердцевины тормозного диска, в то время как часть или каждую часть, предназначенную образовывать волокнистую основу фрикционной части тормозного диска, выполняют из фетра, по меньшей мере в той части, которая примыкает к трущейся поверхности. Технический результат - обеспечение устойчивого тормозного момента, уменьшение износа. 7 с. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение касается изготовления тормозных дисков из композиционных материалов и, более конкретно изготовления волокнистых заготовок, предназначенных для изготовления названных дисков. Еще более конкретно, областью применения изобретения являются тормозные диски из термоструктурированных композиционных материалов.

Термоструктурированные композиционные материалы для названных дисков представляют собой, как правило, углерод-углеродные композиты, или С-С-композиты, состоящие из основы, или углеродно-волоконной заготовки, уплотненной углеродной матрицей, которая может быть под конец насыщена кремнием. Другими пригодными композиционными материалами являются композиты с керамической матрицей, состоящие из основы, или заготовки из огнеупорных волокон (углерод или керамика), уплотненной керамической матрицей, например, углерод-кремний-карбидными композитами, или C-SiC-композитами.

Применение термоструктурируемых композиционных материалов, в частности, С-С-композитов для изготовления тормозных дисков хорошо известно, особенно для изготовления авиационных многодисковых тормозов, но также и для изготовления тормозов для наземного транспорта, например, для гоночных автомобилей, участвующих в соревнованиях формулы 1. Традиционный способ изготовления названных выше дисков состоит в изготовлении кольцевых волокнистых заготовок и их последующего уплотнения углеродной матрицей, заполняющей поры заготовок.

Полуфабрикаты обычно изготавливают наложением один на другой слоев с волокнистой структурой, которые соединяют между собой, в частности, путем прошивки иглами, для придания заготовке необходимой сцепки и устранения риска расслоения при эксплуатации дисков. Слои с волокнистой структурой - это обычно двухмерные слои с различной ориентацией волокон, образованные по крайней мере частично из непрерывных волокон, например, слои из ткани, оплетки или трикотажа, состоящие из шнуров, образованных непрерывными или прерывистыми волокнами, или слои, состоящие из нескольких кордовых сеток с различной ориентацией жил, расположенных по разным направлениям и соединенных между собой легкой прошивкой. С целью увеличения количества прерывистых волокон могут быть также добавлены накладки из волокон или слои фетра, волокна которых можно легко перемещать иглой в процессе прошивки для усиления связи между слоями за счет Z-связок (т.е. перпендикулярно лицевым поверхностям слоев). Применение накладок из волокон или слоев фетра позволяет одновременно утилизировать волокнистые отходы, образующиеся при разрезании слоев с волокнистой структурой в процессе изготовления кольцевых заготовок.

Использование накладок из волокон или слоев фетра из упомянутых отходов материала описано, в частности, в следующих документах: FR-A-626 294 и EP-F-0 530 741. Согласно последнему документу, фетровые слои могут быть внедрены между слоями с волокнистой структурой в сердцевине заготовок или наложены на их поверхности, образуя тем самым поверхностные слои заготовки, предназначенные для удаления при обработке во время и/или в конце операции уплотнения.

Уплотнение заготовок может быть осуществлено путем хорошо известных методов парофазной или жидкофазной химической инфильтрации. Парофазная химическая инфильтрация состоит в том, что подлежащие уплотнению заготовки помещают в камеру, в которую вводят газовую среду, являющуюся предшественником матрицы, которая (среда) в регулируемых условиях температуры и давления диффундирует внутрь заготовки и, вступая в реакцию с ее составляющими или подвергаясь разложению, образует отложения материала матрицы на волокнах. В тех случаях, когда отложения образуются преимущественно в поверхностных порах заготовки и проявляют тенденцию к преждевременной ее закупорке, может оказаться необходимым прибегнуть к одной или нескольким промежуточным обработкам (обдиркам) поверхностей для раскрытия поверхностных пор и обеспечения возможности продолжения уплотнения внутренней части заготовок.

Жидкофазное уплотнение состоит в пропитывании заготовок предшественником матрицы в жидком состоянии, например, смолой, с последующим превращением предшественника, обычно с помощью термообработки. Для достижения желаемой степени уплотнения может оказаться необходимым проведение нескольких последовательных циклов пропитки. Возможно также комбинирование парофазного и жидкофазного методов химической инфильтрации.

В сравнении с металлическими дисками тормозные диски из термоструктурированных композиционных материалов, в частности, из С-С-композита, дают значительный выигрыш в массе, проявляя при этом великолепные фрикционные свойства и пониженный износ. Они оказались также хорошо адаптированными к жестким условиям эксплуатации в самолетах и гоночных автомобилях формулы 1.

Использование тормозных дисков из термоструктурированных композитов на других видах транспорта таких как поезда, грузовые автомобили, автокары, специальные виды транспорта и туристский транспорт затруднено из-за возникающих в этих случаях специфических проблем.

В частности, проведенные заявителем на туристском автомобиле высокого класса испытания тормозных дисков из С-С-композита, изготовленных способом, аналогичным способу, применяемому для изготовления авиационных тормозных дисков, обнаружили эпизодическое появление нежелательных вибраций с одновременным возникновением неустойчивости тормозного момента. Заготовки для этих тормозных дисков были изготовлены с использованием прошивки слоев с базовой структурой, которая была образована из нескольких кордовых сеток с различной ориентацией жил, расположенных под различными углами (например, три слоя под углами 0, +60 и -60^o) и предварительно прошитых между собой. Совершенно очевидно, что использование такой базовой структуры приводит к неравномерному износу трущихся поверхностей дисков в контакте с тормозными пластинами, причем эта тенденция усугубляется в процессе эксплуатации диска, приводя к вибрациям.

Целью настоящего изобретения является изготовление волокнистых заготовок, позволяющих исполнение тормозных дисков из композиционных материалов, не приводящих к названным выше неудобствам.

Более конкретно, целью настоящего изобретения является разработка способа изготовления тормозных дисков из композиционных материалов, пригодных для применения в туристских автомобилях и автомобилях промышленного назначения, которые не приводят к нежелательным вибрациям безотносительно к режиму торможения и обеспечивают устойчивый тормозной момент без анормально ускоренного износа.

Целью настоящего изобретения является также выполнение поставленных выше задач по себестоимости совместимой с применением тормозных дисков в серийных туристских автомобилях и автомобилях промышленного назначения.

Названные цели могут быть достигнуты благодаря использованию такого способа, в котором накладывают один на другой и соединяют между собой волокнистые слои, содержащие структурированные слои, по меньшей мере, частично образованные непрерывными волокнами и по меньшей мере одним слоем фетра. В предлагаемом способе используют структурированные волокнистые слои для образования по меньшей мере первой части заготовки, которая образует волокнистую основу сердцевины тормозного диска, в то время как часть или каждая часть заготовки, которая должна образовывать волокнистую основу трущейся части тормозного диска, состоит из фетра по меньшей мере в той части, которая примыкает к трущейся поверхности. Под структурированным волокнистым слоем, по меньшей мере частично образованным непрерывными волокнами, в данном случае подразумевается слой ткани, оплетки или трикотажа, образованный непрерывными нитями, которые, в свою очередь, образованы непрерывными или прерывистыми волокнами; или слой, образованный сеткой из непрерывных и однонаправленных корда, жил или нитей, причем корд, жилы или нити, в свою очередь, состоят из непрерывных или прерывистых волокон; или слой, образованный несколькими наложенными одна на другую разнонаправленными сетками, соединенными между собой, например, с помощью предварительной прошивки; или подобного же рода волокнистый слой с тонкой накладкой из волокон, с которой он соединен, например, легкой прошивкой. Такие структурированные волокнистые слои позволяют образовать часть заготовки, способную придать сердцевине тормозного диска механические свойства, требуемые для передачи усилия торможения без создания условий для отрыва или повреждения диска в том месте, где осуществляется механическая связь сердцевины с деталью, с которой диск связан при своем вращении. Структурированные волокнистые слои могут быть либо расположены в плоскостях параллельных поверхностям диска, либо обвивать ось диска. В последнем случае часть заготовки, соответствующая сердцевине диска, может быть получена путем разрезки цилиндра, образующегося при намотке на патрон ленты со структурированной волокнистой структурой, образующей наложенные один на другой и соединенные между собой слои.

Фетр, образующий по меньшей мере частично часть или каждую часть заготовки, предназначенную для создания волокнистой основы трущейся части тормозного диска, находится в форме по меньшей мере одного сравнительно толстого слоя с пониженной объемной долей волокон, преимущественно ниже 20% (объемная доля волокон является частью кажущегося объема фетра, эффективно занятого волокнами). Под сравнительно толстым слоем фетра в данном случае понимается фетр, толщина которого в изготовленной заготовке составляет приблизительно 1 мм. После уплотнения основная часть фрикционной набивки вблизи трущейся поверхности состоит из композиционного материала. В типичном случае фрикционная набивка вблизи трущейся поверхности состоит на 10 об.% из волокон, на 65-75 об.% из матрицы и на 15-20 об.% из открытых остаточных пор.

Благодаря описанной конструкции заготовки и, в частности, наличию фетра вблизи трущейся поверхности, при торможении не возникает никакой нежелательной вибрации, которая возникает на тормозных дисках, заготовка которых состоит из прошитых структурированных волокнистых слоев, в том числе в трущихся частях. Названные вибрации могут возникать из-за неравномерного продольного износа трущейся поверхности. Наличие в трудящейся части вместо структурированных волокнистых слоев фетра, то есть коротких неориентированных волокон, а также преобладание матрицы обусловливают минимальную анизотропию и минимальную жесткость, что устраняет появление неравномерностей износа или способствует их уменьшению.

Наряду с этим была отмечена исключительная стабильность тормозного момента, а достигаемые эксплуатационные качества во влажных условиях были так же высоки, как и в сухих условиях.

Предусматривается также возможность использования фетра не только для части или каждой части заготовки, соответствующей фрикционной части диска, но также и для образования преимущественно тонких фетровых слоев, внедренных между структурированными волокнистыми слоями в первой части заготовки, соответствующей сердцевине диска. Расположение структурированных волокнистых слоев параллельно поверхностям диска способствует приданию диску определенной мягкости в осевом направлении и увеличивает его способность поглощать вибрации.

Слои, составляющие первую часть заготовки, соответствующую сердцевине диска, соединены между преимущественно с помощью игольной прошивки. Фетр, составляющий по меньшей мере частично часть или каждую часть заготовки, соответствующую фрикционной части диска, может образовывать один или несколько наложенных один на другой слоев, также преимущественно соединенных между собой прошивкой. Соединение фетра с первой частью заготовки может быть также осуществлено с помощью прошивки. Следует заметить, что прошивка фетра должна быть выполнена таким образом, чтобы она не привела к уплотнению, которое бы увеличило объемную долю волокон сверх рекомендуемого максимума.

Кольцевая заготовка тормозного диска может быть выполнена из плоских волокнистых слоев либо путем наложения один на другой и связывания между собой волокнистых слоев, предварительно нарезанных в виде колец, либо путем наложения один на другой и связывания между собой сплошных волокнистых слоев, обладающих кольцевой или некольцевой формой, с последующим вырезанием заготовки из всего множества наложенных друг на друга и соединенных между собой волокнистых слоев. Возможно также выполнение части заготовки, соответствующей сердцевине диска, путем наматывания волокнистой структуры наложенными один на другой и соединенными между собой слоями, в то время как часть или каждая часть заготовки, соответствующая фрикционной части диска, выполнена путем наложения один на другой и соединения между собой плоских волокнистых слоев.

В соответствии с еще одним из аспектов изобретение имеет также целью изготовление тормозных дисков из композиционного материала путем уплотнения изготовленных заготовок, как это указано выше.

При изготовлении блока, содержащего центральный вращающийся тормозной диск с двумя противоположными трущимися поверхностями и два боковых неподвижных тормозных диска, имеющих по одной трущейся поверхности, например, для дискового тормоза транспортного средства промышленного назначения (грузового автомобиля или автокары), изготавливают преимущественно четыре существенно идентичные первичные заготовки, содержащие первую часть, соответствующую сердцевинной части, и вторую часть, соответствующую фрикционной части диска. Заготовки уплотняют и получают подвижной диск, скрепляя две уплотненные заготовки поверхностями, противоположными трущимся поверхностям. Таким образом, различие между подвижными и неподвижными дисками возникает только после уплотнения. Предусматривается также возможность сборки первичных заготовок до уплотнения с целью получения подвижного диска, в результате чего различие между подвижным и неподвижными дисками возникает после изготовления заготовок, но уже перед операцией уплотнения.

В соответствии с еще одним из аспектов, предметом изобретения являются также тормозные диски, изготовленные из заготовок, полученных указанным выше способом.

Ниже будут описаны примеры осуществления изобретения, не ограничивающие его объема. При этом будут делаться ссылки на приведенные чертежи, где: - фиг.1 демонстрирует последовательные этапы исполнения кольцевой заготовки тормозного диска в соответствии со способом настоящего изобретения; - фиг.2 демонстрирует последовательные этапы исполнения кольцевой заготовки тормозного диска в соответствии с вариантом способа, представленного на фиг.1; - фиг.3 демонстрирует последовательные этапы исполнения части кольцевой заготовки тормозного диска в соответствии с еще одним вариантом осуществления способа настоящего изобретения; - фиг.4 приводит кривые, иллюстрирующие колебания тормозного момента во времени при торможении для дисков, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением и для дисков, изготовленных ранее существующими способами; - фиг. 5 демонстрирует износ, измеренный при торможении дисками, изготовленными в соответствии с настоящим изобретением, и дисками, изготовленными ранее существующими способами; - фиг. 6 демонстрирует последовательные этапы выполнения тормозных дисков, предназначенных для грузовых автомобилей, иллюстрируя тем самым практическое применение настоящего изобретения.

В приведенном ниже описании рассматривается изготовление заготовок из углеродных волокон или волокон из предшественников углерода с целью изготовления тормозных дисков из С-С-композита. При этом необходимо отметить, что изобретение применимо и к тормозным дискам из композиционного материала, не являющегося С-С-композитом, в частности, из композиционного материала, состоящего из волокон основы и/или матрицы, по меньшей мере частично состоящей из керамики, например, по меньшей мере частично состоящей из SiC- или насыщенного кремнием С-С-композита.

Кольцевая заготовка тормозного диска с двумя трущимися поверхностями, например, тормозного диска, предназначенного для взаимодействия с пластинами в тормозном диске таких автомобилей, как серийный туристский автомобиль, может быть исполнена следующим образом (фиг.1).

Исходным материалом, используемым для части заготовки, соответствующей сердцевине диска, является базовая структура 10, образованная из углеродных волокон или из волокон предшественников углерода, где в качестве предшественника углерода может быть, например, предварительно окисленный полиакрилонитрил, пек, соты или фенольное соединение. Если заготовка выполняется из волокон предшественников углерода, превращение предшественника осуществляется путем термической обработки, проводимой преимущественно после изготовления заготовки и перед ее уплотнением. Следует отметить, что заготовка может быть получена с использованием углеродных волокон из нескольких различных предшественников.

Базовая структура 10 по меньшей мере частично готовится с использованием непрерывных элементов, образующих разнонаправленную двухмерную структуру. Для этого могут быть использованы ткань, оплетка, трикотаж, однонаправленная сетка или, как это показано в схематически иллюстрированном примере, наложенные одна на другую несколько однонаправленных сеток из нитей, корда или жил. Сетки накладываются по различным направлениям и соединяются легкой прошивкой. Можно, например, образовать базовую структуру из трех однонаправленных сеток, расположенных по отношению к оси структуры под углами, соответственно, 0, +60 и -60^o. В некоторых случаях базовая структура может быть дополнена тонкой накладкой из волокон, предварительно соединенной со структурой с помощью прошивки.

Первая часть кольцевой заготовки тормозного диска изготавливается путем плоской укладки пластов 12 базовой структуры 10 и соединения их между собой прошивкой. Между пластами 12 могут быть внедрены несколько тонких слоев фетра 14. Под тонким слоем фетра здесь подразумевается фетровый слой с поверхностной массой 500 г/м², например, от 200 до 300 г/м², и содержанием волокон в расслабленном состоянии (перед уплотнением, обусловленным прошивкой) менее 20%, например, 7-14%. Прошивка осуществляется с помощью прошивочной головки 20 в форме игольчатой пластинки, в то время как пласты располагаются на подложке 22, покрытой подкладочным фетром 24, в который иглы могут проникать без риска быть поврежденными. Длина игольчатой пластинки близко соответствует радиальному расстоянию между внутренней и наружной окружностями части кольцевой заготовки, которую предстоит выполнить. При наложении каждого нового пласта 12 или слоя 14 осуществляется одна проходка кольцевой прошивки. Для этой цели, как это, например, описано в документе FR-A-2626294, осуществляется полный поворот между прошивочной головкой 20 и подложкой 22 относительно оси части заготовки, в процессе которого и производится заданное число прошивочных ударов, при которых иглы проникают вглубь изготавливаемой части заготовки перпендикулярно ее поверхности. Поворот может быть произведен приведением во вращение относительно оси заготовки либо прошивочной головки, либо подложки 22. Когда достигается толщина, близко соответствующая толщине сердцевины изготавливаемого тормозного диска, после прошивки последнего пласта могут быть произведены несколько завершающих прошивочных проходок для получения существенно постоянной объемной плотности прошивки. Способы изготовления заготовок с существенно постоянной объемной плотностью прошивки описаны в документах FR-A-2584106 и FR-A-2726013.

Полученную таким образом часть заготовки 30 дополняют по каждой из ее поверхностей слоем фетра, толщину которого выбирают в зависимости от толщины фрикционных поверхностей изготовляемого диска. При этом, удерживая часть заготовки 30 на месте, слой фетра 16 располагают на верхней поверхности и соединяют с ней описанной выше проходкой кольцевой прошивки. Часть заготовки 30 со слоем фетра 16 снимают с подложки 22 и фетровой прокладки 24, переворачивают и возвращают на место для укладки и прошивки слоя фетра 18 на другой поверхности, повторяя процедуру, использованную при наложении слоя 16.

В другом варианте способа каждый слой фетра (16 и 18) может быть заменен двумя или более слоями последовательно прошитыми на части заготовки 30. Возможно также использование одного или нескольких слоев фетра для образования только части толщины частей заготовки, соответствующих фрикционным частям диска, в то время как остальную часть образуют пластами, аналогичными, например, пластам 12. В этом случае слой или слои фетра располагают таким образом, чтобы они примыкали к наружной поверхности (поверхности трения). Во всех случаях для каждой из частей заготовки, соответствующей фрикционным частям диска, используют по меньшей мере один сравнительно толстый слой фетра. Под толстым слоем фетра в данном случае подразумевается слой с поверхностной массой более 500 г/м², например, от 200 до 300 г/м², и содержанием волокон в расслабленном состоянии менее 20%, например, 10-15%. Это близко соответствует толщине по меньшей мере 1 мм после прошивки или толщине, равной нескольким миллиметрам в расслабленном состоянии, например, не менее 3 мм.

Часть заготовки 30 со слоями фетра 16 и 18 разрезают с помощью трубчатого пробойника с образованием кольцевой заготовки 32 тормозного диска, состоящей из первой части 32₁, соответствующей сердцевине диска и образованной прошитыми пластами 12 и слоями 14, и двух боковых частей 32₂ и 32₃, соответствующих фрикционным частям диска и образованным слоями фетра 16 и 18.

В предыдущем описании ставилось целью осуществление кольцевого выреза после прошивки заготовки. В качестве альтернативного варианта, как это показано на фиг.2, можно нарезать пласты 12 и слои фетра 14, 16 и 18, придавая им желаемую кольцеобразную форму перед прошивкой. Операция прошивки в этом случае может быть проведена аналогично тому, как описано выше, т.е. путем последовательных кольцевых прошивочных проходок. При этом желательно, чтобы пласты и слои фетра в процессе прошивки удерживались на месте с помощью приспособления, образованного по меньшей мере одним центральным сердечником 26, выступающим по оси от подложки 22 с находящейся на ней кольцевой прокладкой 24.

После формирования первой части заготовки 32₁ путем прошивки кольцевых пластов 12, между которыми могут быть внедрены тонкие кольцевые слои фетра 14, и после наложения и закрепления с помощью прошивки кольцевых слоев 16 и 18 на поверхностях части заготовки 32 с образованием двух частей заготовки - 32₂ и 32₃ получают заготовку тормозного диска 32, похожую на ту, которая описана выше.

Тормозные диски 42, выполненные из С-С-композита, изготавливают из заготовок 32, изготовленных описанным выше способом, подвергая заготовки операции уплотнения с использованием углеродной матрицы и в тех случаях, когда заготовки выполнены из волокон предшественника углерода, предварительно подвергая заготовки карбонизации путем термической обработки. Уплотнение осуществляется хорошо известными способами парофазной или жидкофазной химической инфильтрации.

Уплотненные заготовки после этого обрабатывают для придания дискам 42 их конечных размеров и образования гнезд, необходимых для зацепления дисков с деталью, с которой они связаны при вращении.

В предыдущем описании ставилась цель изготовления кольцевой заготовки путем плоского наложения пластов волокнистой структуры и слоев фетра параллельно поверхностям диска.

В качестве альтернативного варианта возможно использование для части заготовки, соответствующей сердцевине диска, спиралевидной полосы ткани, которая может быть соединенной с тонкой полосой фетра и которая наматывается наложенными один на другой слоями на центральный сердечник и прошивается по мере намотки. Подобного рода способ описан в заявке французского патента, депонированного под номером 9514000. Таким же способом для части или каждой части заготовки, соответствующей фрикционной части диска, можно использовать намотанную наложенными один на другой слоями и прошитую полосу фетра.

В соответствии с еще одним вариантом, проиллюстрированным на фиг.3, часть заготовки, соответствующая сердцевине диска, получают путем наматывания на патрон полосы 50 волокнистой структуры наложенными один на другой слоями. Полоса 50 выполнена из структурированного материала, например, ткани, который может быть соединен с тонкой полосой фетра.

Полоса 50 существенно прошивается в тех местах, где она накладывается на уже намотанные слои. Прошивка осуществляется с использованием игольчатой планки 60, которая охватывает всю ширину полосы 50. Патрон 62 может быть, например, патроном вращающегося типа и иметь прокладочный слой 64, в который могут проникать иглы при прошивке первых слоев. После полного поворота патрон 62 опускается относительно уровня игл, благодаря чему глубина прошивки сохраняется существенно постоянной или подвергается небольшому регулируемому колебанию. После того как сформируется необходимое количество слоев 52, могут быть произведены заключительные прошивочные проходки. Способ изготовления цилиндрических заготовок с постоянной объемной плотностью прошивки описан в документе FR-A-2584107.

Следует отметить, что намотка полосы может также производиться путем тангенциального контакта с рулоном, в процессе чего патрон остается неподвижным и имеет при этом отверстия для игл, благодаря чему обматывание патрона прокладкой становится ненужной.

Полученный прошитый стакан 70 разрезается вдоль радиальных плоскостей с образованием кольцевых частей заготовок 72₁, соответствующих сердцевине тормозного диска.

Часть заготовки, соответствующая фрикционной части тормозного диска и содержащая по меньшей мере один слой фетра, прошивается на одной или на всех поверхностях заготовок 72₁. Для этой цели может быть использована изображенная на фиг.2 установка, преимущественно дополненная периферийной цилиндрической перегородкой 28, которая в сочетании с центральным сердечником 26 обеспечивает поддерживание и направление части заготовки 72₁.

ПРИМЕР 1 Выполненные из С-С-композита передние тормозные диски для туристских транспортных средств типа "Мерседес Е600" изготавливают описанным ниже путем, используя способ на фиг.1.

Базовая волокнистая структура, используемая для части заготовки, соответствующей сердцевине диска, состоит из комбинации трех однонаправленных сеток из волокон предварительно окисленного полиакрилонитрила с поверхностной массой приблизительно 1000 г/м², уложенных по трем различным направлениям (0, +60 и -60^o) и предварительно прошитых вместе с тонким фетром с поверхностной массой приблизительно 300 г/м². Несколько пластов волокнистой структуры накладывают один на другой предварительно прошитыми для получения по преимуществу постоянной объемной плотности прошивки, как это описано в документе FR-A-2584106 или FR-A-2726013, до достижения толщины приблизительно 22 мм.

На каждой поверхности, полученной таким образом части заготовки, последовательно укладывают один на другой и прошивают восемь слоев фетра с поверхностной массой приблизительно 800 г/м² до достижения толщины приблизительно 10 мм. Каждый слой фетра прошивают описанным выше способом до достижения постоянной объемной плотности прошивки.

После этого вырезают кольцевую заготовку с внутренним и наружным диаметрами, соответственно, 420 и 180 мм и подвергают ее карбонизационной обработке, превращая предварительно окисленный полиакрилонитрил в уголь, в процессе чего форма заготовки может поддерживаться с помощью оснастки.

Уплотнение заготовки матрицей из пиролитического углерода осуществляют путем парофазной химической инфильтрации.

Полученные в результате этого диски испытывают с тормозными пластинами из серийной производимого С-С-композита.

Первое испытание торможения в сухом состоянии произведено на тормозном диске D1 с пластинами, изготовленными как описано выше. Измерение тормозного момента производится непрерывно в течение всего времени торможения, необходимого для перехода от скорости 200 км/ч до 0 км/ч. Кривая А на фиг.4 иллюстрирует измеряемые в течение времени колебания тормозного момента. С целью сравнения произведены испытания на серийном тормозе того же автомобиля (чугунный тормозной диск D2) и на тормозном диске D3, выполненном из С-С-композита с помощью ранее существующего способа. Тормозной диск D3, изготовленный традиционным способом, отличается от диска D1 в том, что он выполнен интегрально путем прошивки пластов базовой структуры 10 на фиг.1 без введения фетра ни на уровне трущихся поверхностей, ни в сердцевине. Кривые В и С на фиг.4 иллюстрируют измеряемые во времени колебания тормозного момента для дисков D2 и D3.

Можно заметить, что продолжительность торможения дисками из С-С-композита уменьшена на 2 сек по сравнению с тем, что получено с чугунным диском (приблизительно 8 и 6 сек), но диск D3 дает неустойчивость тормозного момента, которая выражается в значительных вибрациях. Эти колебания тормозного момента значительно уменьшены при использовании диска D1: выигрыш в устойчивости тормозного момента (отношение колебания момента Δc к величине момента с) составляет более b0%. Кроме того, отмечается очень значительный выигрыш в устойчивости S коэффициента трения μ, где S является отношением между, с одной стороны, разницей между измеренными в процессе испытания максимальным значением m_makc и минимальным значением m_мин, и, с другой стороны, рассчитанным значением μ_средн[S = (μ_макс-μ_мин)/μ_средн]. Действительно, значение S составляет 0,23 при сухом торможении и 0,39 при влажном торможении для предложенных в изобретении дисков D1, в то время как для изготовленных старым способом дисков D3 значение S при сухом и влажном торможении составляет, соответственно, 0,46 и 0,61. Кроме того, тормозной момент, а, следовательно, эффективность торможения в процессе торможения возрастают, чего не происходит при использовании дисков D3.

Вторая серия испытаний торможения в сухом состоянии проведена с дисками, установленными на переднем мосту транспортного средства, относящегося к типу Mercedes E600. Износ левого и правого дисков измеряли, соответственно, для дисков D1 и D3. Фиг.5 демонстрирует износ, измеряемый как убыль толщины дисков в процессе высокоэнергетического торможения от 250 до 100 км/ч. Примечательно, что износ, измеренный на дисках D1, изготовленных согласно настоящему изобретению, вдвое ниже износа, измеренного на дисках из С-С-композитов, изготовленных ранее существующим способом.

ПРИМЕР 2 Блок, состоящий из подвижного тормозного диска и двух неподвижных тормозных дисков, для грузового автомобиля выполнен следующим образом (фиг.3).

Одинаковые первичные кольцевые заготовки 32а, 32Ь, 32с и 32d изготовлены способом, приведенным на фиг.1, следующим образом.

Каждая заготовка содержала первую часть, соответствующую сердцевинной части диска, образованной наложением один на другой и прошивкой слоев базовой волокнистой структуры, например, идентичной той, которая использована в примере 1. На одну из поверхностей этой части заготовки наложены и прошиты слои фетра с целью образования второй части заготовки, соответствующей фрикционной части диска.

После карбонизации заготовки 32а, 32b, 32с и 32d уплотняли углеродной матрицей, как описано в примере 1.

После этого получали неподвижные диски 42а и 42b с сердцевиной и трущейся поверхностью, соответствующими уплотненным заготовкам 32а и 32b, и два подвижных полудиска 42с и 42d, предназначенных для образования подвижного диска при их скреплении поверхностями, противоположными трущимся поверхностям. Толщина неподвижных дисков составляла половину толщины подвижного диска, что полностью приемлемо для предусмотренного применения дисков.

Диски обрабатывали для доведения их размеров до требуемых значений и образования гнезд, обеспечивающих их монтаж. В частности, подвижные полудиски 42с и 42d имели на всю толщину аксиальные гнезда 44с и 44d с приливами на внутренней поверхности для зацепления с соответствующими выступами на оси, ротационно связанной с колесом грузового автомобиля. Сборку подвижных полудисков осуществляли непосредственно при их установке на ось, например, путем стяжки их ступиц. Что касается неподвижных дисков 42а и 42b, у них имеются радиальные гнезда 44а и 44b, которые простираются от внутренней окружности и занимают часть глубины дисков со стороны их задних поверхностей противоположных трущимся поверхностям. Гнезда 44а и 44b предназначены для зацепления со шпонками для передачи усилия торможения на шасси грузового автомобиля. Такой тип механической связи с сердцевиной диска позволяет использование для этой цели части заготовки, которую получают из полосы, наматываемой налагаемыми один на другой слоями, перпендикулярными поверхностям диска, так как это изображено на фиг.3. Благодаря этому устраняется риск того, что передаваемые усилия приведут к расслоению заготовки, т.е. нарушат сцепление между слоями, что могло бы произойти, если бы усилия передавались через гнезда, проделанные на внешнем ободе диска по всей его глубине.

Способ осуществления изобретения, приведенный на фиг.6, особенно выгоден в том отношении, что он позволяет использовать стандартные заготовки. Следует отметить и возможный вариант этого способа, в котором необходимую для получения подвижного диска сборку производят перед инфильтрационным уплотнением первичных заготовок. Разумеется, при этом не исключается возможность отдельного изготовления каждой дисковой заготовки.

Формула изобретения

1. Способ изготовления волокнистой заготовки тормозного диска из композиционного материала, состоящий в наложении один на другой и соединении между собой волокнистых слоев, в число которых входят структурированные слои, образованные по меньшей мере частично непрерывными волокнами, и по меньшей мере один слой фетра, отличающийся тем, что структурированные волокнистые слои используют для образования по меньшей мере первой части заготовки, предназначенной быть волокнистой основой сердцевины тормозного диска, в то время как часть или каждая часть заготовки, которая должна образовывать волокнистую основу трущейся части тормозного диска, образуют из фетра по меньшей мере в той части, которая примыкает к трущейся поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между структурированными волокнистыми слоями первой части заготовки внедряют слои фетра.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что слои, составляющие первую часть заготовки, соединяют между собой путем игольной прошивки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что слои, составляющие первую часть заготовки, образуют путем намотки полосы с волокнистой структурой.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют полосу с волокнистой структурой, включающую спиралевидную ткань, замотанную слоями, плоско наложенными один на другой.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что он включает образование цилиндрического стакана путем наматывания полосы с волокнистой структурой на патрон и разрезки стакана вдоль радиальных поверхностей для получения первых частей заготовки.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что фетровые слои, по меньшей мере частично образующие часть или каждую часть заготовки, предназначенной быть волокнистой основой фрикционной части тормозного диска, прикрепляют к остальной части заготовки путем игольной прошивки.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что фетр, образующий по меньшей мере часть или каждую часть заготовки, предназначенной быть волокнистой основой фрикционной части тормозного диска, имеет объемное содержание волокон ниже 20%.

9. Способ изготовления тормозного диска из композиционного материала, содержащего сердцевину и, по меньшей мере, одну фрикционную часть с одной стороны сердцевины, включающий стадии изготовления волокнистой заготовки, уплотнения заготовки матрицей и обработки диска для придания ему требуемых размеров, отличающийся тем, что заготовка изготовляется в соответствии со способом по любому из пп.1-8.

10. Способ изготовления блока, состоящего из центрального подвижного тормозного диска с двумя трущимися поверхностями и двух неподвижных дисков с одной трущейся поверхностью из композиционного материала, отличающийся тем, что он включает изготовление четырех существенно идентичных первичных заготовок в соответствии со способом по любому из пп.1-8, где каждая первичная заготовка содержит первую часть, соответствующую сердцевинной части, и вторую часть, соответствующую фрикционной части диска, уплотнение заготовок матрицей с целью получения дисков из композиционного материала, скрепление двух дисков по их поверхностям, противоположным трущимся поверхностям, в результате чего получается подвижной диск с двумя трущимися поверхностями, и заключительную обработку подвижного и неподвижного дисков.

11. Способ изготовления блока, состоящего из подвижного диска с двумя трущимися поверхностями и двух неподвижных дисков с одной трущейся поверхностью из композиционного материала, отличающийся тем, что он включает изготовление четырех существенно идентичных первичных заготовок в соответствии со способом по любому из пп.1-8, где каждая первичная заготовка содержит первую часть, соответствующую сердцевинной части, и вторую часть, соответствующую фрикционной части, сборку двух заготовок для получения заготовки подвижного диска, уплотнения заготовок для получения подвижного диска с двумя трущимися поверхностями и двух подвижных дисков с одной трущейся поверхностью и заключительную обработку подвижного и неподвижных дисков.

12. Способ по любому из пп.10 и 11, отличающийся тем, что заключительная обработка неподвижных дисков включает образование радиально направленных гнезд с глубиной, меньшей толщины сердцевины диска со стороны задней поверхности противоположной трущейся поверхности.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что первую часть заготовки, предназначенную образовывать сердцевину диска, получают путем наматывания на патрон полосы с волокнистой структурой налагаемыми один на другой слоями.

14. Тормозной диск из композиционного материала, содержащий уплотненную матрицей волокнистую заготовку, который имеет сердцевинную часть и по меньшей мере одну фрикционную часть с одной трущейся поверхностью, расположенной с одной стороны сердцевины, и волокнистую заготовку, состоящую из соединенных между собой волокнистых слоев, включающих структурированные слои, образованные по меньшей мере частично непрерывными волокнами и по меньшей мере одним слоем фетра, отличающийся тем, что часть заготовки, составляющая волокнистую основу фрикционной части или каждой фрикционной части диска, состоит из фетра по меньшей мере в той части, которая примыкает к трущейся поверхности, в то время как часть заготовки, образующая волокнистую основу сердцевины диска, содержит структурированные волокнистые слои.

15. Тормозной диск по п.14, отличающийся тем, что в упомянутом выше фетре объемное содержание волокон ниже 20%.

16. Тормозной диск по п.14, отличающийся тем, что фрикционная часть или каждая фрикционная часть диска содержит 10-15 об.% волокон, 65-75 об.% матрицы и 15-20 об.% остаточных пор.

17. Тормозной диск по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что часть заготовки, составляющая волокнистую основу сердцевины диска, содержит слои фетра, внедренные между структурированными волокнистыми слоями.

18. Тормозной диск по любому из пп.14-17, отличающийся тем, что часть заготовки, составляющая волокнистую основу сердцевины диска, содержит волокнистые слои, расположенные параллельно поверхностям диска.

19. Тормозной диск по любому из пп.14-17, отличающийся тем, что часть заготовки, составляющая волокнистую основу сердцевины диска, содержит волокнистые слои, расположенные перпендикулярно поверхностям диска.

20. Тормозной диск по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что волокнистая заготовка и матрица состоят из углерода.

21. Тормозное устройство для туристского автомобиля, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один тормозной диск по любому из пп.14-20, взаимодействующий с тормозными пластинами.

22. Тормозное устройство для дорожного грузового автомобиля, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один блок из двух неподвижных дисков и одного подвижного диска по любому из пп.14-20.

23. Тормозное устройство по п.22, отличающееся тем, что каждый неподвижный диск имеет радиальные гнезда, образованные в части глубины диска со стороны поверхности противоположной трущейся поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6