Фрикционное изделие

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к тормозным колодкам и фрикционным изделиям для различных машин и оборудования. Фрикционное изделие содержит металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему фрикционный элемент. Фрикционный элемент выполнен из полимерного фрикционного композита и снабжен выступами, размещенными внутри отверстий. Твердость композита в выступах меньше, чем в рабочей части фрикционного элемента. Достигается снижение возможности разрушения выступов и самого изделия в условиях переменных термических нагрузок в процессе эксплуатации фрикционного изделия, а также повышение стойкости выступов к ударным механическим воздействиям.

 

Заявляемое изобретение относится к машиностроению, а именно к фрикционным изделиям, содержащим армирующий металлический каркас, например колодкам дисковых тормозов автомобилей, фрикционным изделиям для различных машин и оборудования и т.д.

Аналогом заявляемого изобретения является фрикционное изделие, содержащее металлический каркас и приформованный к нему полимерный композиционный фрикционный элемент, слой которого, примыкающий к каркасу, дополнительно армирован просечно-вытяжным металлическим листом, зафиксированным на каркасе (см. патент РФ №2005619, МПК В29D 9/00, 1994). Существенные признаки аналога «металлический каркас, приформованный к нему фрикционный элемент» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком аналога является сложность изготовления изделия, обусловленная необходимостью фиксации дополнительного армирующего просечно-вытяжного листа (например, болтовым соединением, сваркой и др.), а также, в ряде случаев, и невозможностью изготовления изделия (например, для имеющих небольшие размеры и толщину колодок дисковых тормозов малолитражных легковых автомобилей).

Другим аналогом заявляемого изобретения является фрикционное изделие, содержащее армирующий металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему полимерный композиционный фрикционный элемент, снабженный выступами, соответствующими отверстиям в каркасе и размещенными внутри отверстий, при этом высота выступов соответствует глубине отверстий (см. М.М.Бородулин и др. Асбестовые технические изделия. Каталог-справочник. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1984, сс.74, 75, 79). Существенные признаки прототипа «металлический каркас с отверстиями, приформованный к нему выполненный из полимерного фрикционного композита фрикционный элемент, снабженный выступами, размещенными внутри отверстий» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком аналога является недостаточная прочность соединения каркаса и фрикционного элемента к характерным для фрикционных узлов усилиям, сдвигающим фрикционный элемент относительно каркаса в условиях переменных термических нагрузок (последовательных нагревов и охлаждений изделия). Прочность фрикционного изделия по аналогу к этим усилиям (деформациям) сдвига обусловлена адгезией материала фрикционного элемента к поверхности металлического каркаса, а также прочностью «на срез» выступов фрикционного элемента. При этом прочность «на срез» зависит не только от прочности фрикционного материала. В результате того, что выступы фрикционного элемента находятся в отверстиях каркаса без зазора (в результате приформовки), а их высота соответствует глубине отверстий, отсутствует возможность компенсации напряжений, возникающих в условиях переменных термических нагрузок из-за разницы коэффициентов теплового расширения металла каркаса и полимерного композита, из которого изготовлен фрикционный элемент, причем возможность компенсации отсутствует как со стороны выступов из полимерного композита, которые окружены металлом по всей высоте, так и со стороны отверстий в каркасе, поскольку стенки отверстий контактируют с выступами из полимерного композита по всей глубине. В результате, в условиях переменных тепловых нагрузок возможно растрескивание выступов, выкрашивание из них материала и т.п., что приводит к снижению прочности выступов «на срез» и делает опасной дальнейшую эксплуатацию изделия.

Прототипом заявляемого изобретения является фрикционное изделие, содержащее армирующий металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему фрикционный элемент, снабженный выступами, размещенными внутри отверстий каркаса, при этом плотность полимерного фрикционного композита в выступах меньше, чем плотность остальных частей фрикционного элемента (см. патент РФ №2265759, МПК⁷ F16D 69/02. 2005). Существенные признаки прототипа «металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему фрикционный элемент, снабженный выступами, размещенными внутри отверстий» совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.

Недостатком прототипа является повышенная возможность попадания влаги и других веществ в более рыхлый (более пористый) композит, из которого выполнены выступы, размещенные в отверстиях каркаса, что в дальнейшем может при нагреваниях и охлаждениях (замерзаниях) влаги и других веществ вызвать разрушение выступов и, соответственно, самого изделия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение возможности разрушения выступов и самого изделия в условиях переменных термических нагрузок в процессе эксплуатации фрикционного изделия. Другим техническим результатом, получение которого может обеспечить заявляемое изобретение, является повышение стойкости выступов и, соответственно, изделия в целом к ударным механическим воздействиям за счет снижения хрупкости материала выступов.

Для достижения указанного технического результата во фрикционном изделии, содержащем металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему фрикционный элемент, снабженный выступами, размещенными внутри отверстий, фрикционный элемент выполнен из полимерного фрикционного композита, твердость которого в выступах меньше, чем в рабочей части фрикционного элемента.

Существенные признаки заявляемого изобретения «фрикционный элемент выполнен из полимерного фрикционного композита, твердость которого в выступах меньше, чем в рабочей части фрикционного элемента» являются отличительными от признаков прототипа.

Фрикционное изделие содержит металлический каркас, который может быть плоским или криволинейным (например, в виде части цилиндрической обечайки или более сложной формы). В каркасе выполнены отверстия (одно или несколько). Отверстия могут быть круглой, овальной, прямоугольной или другой формы. К каркасу приформован фрикционный элемент, снабженный выступами, соответствующими по своему месторасположению отверстиям в каркасе. Количество выступов может равняться количеству отверстий в каркасе или быть меньшим. Форма выступов может повторять форму отверстий или отличаться от нее, при этом высота выступов равна или меньше глубины отверстий. Фрикционный элемент может изготавливаться, например, из полимерного композиционного фрикционного композита, содержащего полимерную матрицу и дисперсные, в том числе волокнистые наполнители. В выступах композит выполнен с меньшей твердостью, чем в рабочей (изнашиваемой в процессе нормальной эксплуатации) части фрикционного элемента. Меньшая твердость композита может быть во всех выступах или в некоторых из них, при этом рецептура композита выступов и рабочей части фрикционного элемента различная. Однако возможно использование композитов с одинаковым рецептурным составом (например, с разной степенью отверждения).

Конкретным примером заявляемого изобретения является колодка дискового тормоза автомобиля БЕЛАЗ, содержащая плоский металлический каркас с отверстиями. К каркасу приформован фрикционный элемент, снабженный выступами, соответствующими отверстиям в каркасе. Элемент выполнен из полимерного фрикционного композита. Рецептурный состав композита выступов и рабочей части фрикционного элемента отличается содержанием полимерной матрицы, содержание которой выше в композите, из которого выполнены выступы. Возможно также, что полимерная матрица композита выступов выполнена на основе каучукового связующего, а полимерная матрица композита рабочей части фрикционного элемента - на основе смоляного связующего. Твердость по Бринеллю композита выступов составляет 7÷20 НВ, твердость композита рабочей части фрикционного элемента (накладки) составляет 35÷45 НВ.

Изготавливаться заявляемое фрикционное изделие может известными методами. Например, в пресс-форму помещают основную формовочную полимерную композицию, дополнительную формовочную полимерную композицию и металлический каркас. В результате в пресс-форме размещаются два слоя полимерной композиции разного состава, при этом толщина слоя, контактирующего с металлическим каркасом, должна быть достаточной для формирования выступов. Далее осуществляют формование и изготовление колодки известными методами, при этом выступы фрикционного элемента образуются в процессе формования за счет выдавливания в отверстия каркаса дополнительной полимерной композиции. Рецептурный состав композиций подбирается таким образом, чтобы при температуре и давлении формования и последующей обработки композиции образовывались композиты с разной твердостью.

Выполнение выступов менее твердыми, чем рабочая часть фрикционного элемента, позволяет изготавливать выступы более плотными и менее хрупкими, более способными к компенсации деформаций, возникающих в результате термических и механических эксплуатационных воздействий на изделие. В результате снижается возможность попадания влаги и других веществ в композит выступов, снижается возможность растрескивания и выкрашивания выступов и, как следствие, повышается прочность соединения каркаса и фрикционного элемента. Выполнение выступов менее твердыми позволяет за счет их большей пластичности снижать внутренние напряжения в выступе и, соответственно, снижается возможность трещинообразования и разрушения поверхности и тела выступа, то есть также повышается прочность соединения каркаса и фрикционного элемента к нагрузкам в процессе эксплуатации.

Фрикционное изделие, содержащее металлический каркас с отверстиями и приформованный к нему фрикционный элемент, снабженный выступами, размещенными внутри отверстий, при этом фрикционный элемент выполнен из полимерного фрикционного композита, отличающееся тем, что твердость композита в выступах меньше, чем в рабочей части фрикционного элемента.