Углеродный фрикционный диск Советский патент 1993 года по МПК F16D69/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к фрикционным материалам на основе углеродных волокнистых наполнителей и пекового связующего, используемых в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов.

Целью изобретения является исключение возгорания окиси углерода в тормозном устройстве и повышение выхода годных изделий в процессе производства.

Поставленная цель достигается тем, что в углеродном фрикционном диске, состоящем из связанных коксом каменноугольного пека, чередующихся слоев непрерывных углеродных волокон в виде тканых или нетканых структур и слоев постоянной толщины из измельченных углеродных волокон, в том числе и поверхностных фрикционных слоев, насыщенных пиролитическим углеродом, по меньшей мере два симметричных относительно плоскости симметрии слоя из измельченных углеродных волокон выполнены термостабилизирующими - толщиной в 2-5 раз превышающей толщину остальных слоев измельченных или непрерывных углеродных волокон.

Цель достигается также расположением термостабилизирующих слоев непосредственно под фрикционными слоями диска.

Известно, что возникающие при работе тяжелонагруженных узлов трения машин и механизмов на трущихся поверхностях

ел о

00

CJ

фрикционных углеродных материалов температуры в точках контакта имеют значения порядка 2000 -3000°С.

Высокие температуры на фрикционных поверхностях приводят к возгоранию окиси углерода, а неравномерность передачи теплового потока в объем диска приводит к возникновению термических напряжений,

Исключение возгорания окиси углерода путем снижения температуры на фрикционных поверхностях, согласно замыслу, обеспечивается за счет термостабилизирующего слоя, состоящего из дискретных волокон, который обладает во всех направлениях близкими значениями теплопроводности, что позволяет осуществить отвод тепла из области трения в объем диска. В отличии от слоев измельченных волокон, непрерывные волокна обеспечивают теплоотвод только в плоскости их расположения, из-за чего не достигается снижение температуры на поверхности трения, не осуществляется отвод тепла в объем диска и появляются термические напряжения.

Нахождение термостабилизирующего слоя непосредственно под фрикционными поверхностями позволяет максимально реализовать его теплораспределяющие свойства.

Такое выполнение диска позволяет также снизить термические напряжения при высокотемпературных обработках (составляющих 1500-2000°С) при его изготовлении и повысить выход годных изделий.

Толщина термостабилизирующего слоя выбирается из условий эксплуатации изделия, при этом, если толщина слоя менее, чем в 2 раза отличается от толщины других слоев дискретных или непрерывных волокон выравнивание теплового потока не происходит и отвод тепла от поверхностных слоев замедляется..

Выполнение термостабилизирующего слоя с толщиной более, чем 5 раз превышающей толщину остальных слоев нецелесообразно с позиции достаточности ее для выполнения возложенных функций; но кроме того ведет к снижению прочности изделия.

Необходимость выполнения более двух термостабилизирующих слоев возникает при конструировании узл.ов трения повышенной энергонагруженности. В этом случае между слоями измельченных волокон располагается слой непрерывных волокон.

На фиг.1 показан углеродный фрикционный диск с Двумя термостабилизирующи- ми слоями; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Углеродный фрикционный диск состоит:

из поверхностных фрикционных слоев 1, насыщенных пиролитическим углеродом, эти слои могут состоять как из измельченных углеродных волокон 2, так и из непре- рывных углеродных волокон 3 и кокса каменноугольного пека (на фиг. не показан); из слоев 4 постоянной величины измельченных углеродных волокон и кокса каменноугольного пека;

0

из слоев непрерывных углеродных волокон 3;

из термостабилизирующих слоев 5, состоящих из измельченных углеродных волокон и кокса каменноугольного пека.

5 Фрикционный углеродный диск может быть изготовлен следующим образом.

Углеродную ткань, пропитанную каменноугольным пеком, раскраивают на кольцевые раскрои необходимого размера, затем

0 раскрой опускают в формовочную гильзу, на поверхность каждого раскроя дозируют порции смеси отрезков углеродного волокна с добавками молотого пека, при этом формирование термостабилизирующих сло5 ев производится путем увеличения количества порций измельченных углеродных волокон и пека в 2-5 раз.

Полученные таким образом заготовки прессуются в пресс-формах при температу0 pax текучести пека. Полученные заготовки проходят процессы карбонизации и уплот- . нений каменноугольным пеком, высокотемпературной обработки. После механической обработки заготовки уплотняют пиролити-5 ческим углеродом и покрывают антиокислительным покрытием.

Для подтверждения эффективности предлагаемого изобретения по вышеописанной технологии были изготовлены

0 фрикционные диски с толщиной термостабилизирующих слоев в 1,5-6,0 раз превы- - шающей толщину других слоев диска, а также диски с соотношением толщины термостабилизирующих слоев и других слоев

5 диска 1:1 (по прототипу).

Фрикционный диск работает следующим образом. При включении фрикционного устройства (не показано), в котором

используется предлагаемый фрикционный

0 диск, на фрикционные поверхности 1 последнего воздействуют фрикционные поверхности 1 сопрягаемого с ним фрикционного диска, образуя пару трения, при этом на фрикционных поверхностях дисков возни5 кают температуры порядка 2000-3000°С в точках контакта. Наличие термостабилизирующих слоев в дисках позволяет исключить случаи возгорания окиси углерода при работе тормозного устройства. Испытания дисков проводились при удельной

энергонатружпнности 75000 кгс -м/кг. Объем испытаний составлял 30 торможений. Результаты эксперимента приведены в таблице.

Испытания дисков с разным соотношением толщины термостабилизирующих ело- ев и других слоев углеродных волокнистых наполнителей показали преимущество заявленного соотношения слоев для достижения поставленной цепи. Толщина термостабилизирующего слоя в 2-5 раз превышающая толщину остальных слоев в диске обеспечивает отвод тепла от поверхности трения и отсутствие при испытаниях случаев возгорания окиси углерода (примеры 3-6), выход годных изделий в про- цессе производства в этом случае составляет 75%.

При соотношении толщин слоев менее 2 наблюдаются случае возгорания окиси углерода : при толщинах 1:1 (по прототипу) при 30 торможениях - 13 возгораний, выход годных изделий 55% (пример 1); при толщинах 1,5:1 количество возгораний снизилось до 5, выход годных изделий составил 65% (пример 2).

При соотношениях толщины термостабилизирующего слоя и остальных слоев в диске более 5 наблюдается снижение механической прочности, при испытании дисков с соотношением 6:1 случаев возгорания окиси углерода не наблюдалось, однако по-

еле 25 тооможений наблюдалось рлзруше- ние шипов диска в виде трещин и выкраши- ваний, снижение выхода годных изделий вызвано не термическими напряжениями в процессе температурной обработки, а механическими повреждениями дисков (токарная, фрезерная обработка) за счет снижения прочностных свойств материала (пример 7).

Формула изобретения

1. Углеродный фрикционный диск, состоящий из связанных каменноугольным пеком чередующихся слоев непрерывных углеродных волокон в.виде тканых или нетканых структур и слоев постоянной толщины из измельченных углеродных волокон, в том числе и поверхностных фрикционных слоев, насыщенных пиролитическим углеродом, отличающийся тем, что в нем по меньшей мере два симметричных относительно плоскости симметрии слоя из измельченных углеродных волокон еыпол- нены термостабилизирующими с толщиной, в 2-5 раз превышающей толщину остальных слоев измельченных или непрерывных углеродных волокон.

2. Диск по п.1, отл и ча ю щи йс я тем, что термостабилйзирующие слои расположены непосредственно под фрикционными слоями диска

х/

т

,т

/

XV,Ч

Использование: в качестве фрикционного материала в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов. Сущность изобретения: в углеродном фрикционном диске по меньшей мере два слоя выполнены тер- мостабилизирующими. Они расположены в непосредственной близости от поверхности трения и имеют толщину, в 2-5 раз превышающую толщину остальных слоев волокон в диске. Использование в диске как минимум двух термостабилизирующих слоев и расположение их в непосредственной близости от поверхности трения позволяют исключить возгорание окиси углерода в процессе эксплуатации в тормозном устройстве при высоких нагрузках и повысить выход годных изделий при проведении вы- сокот емпературных обработок в процессе производства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л с