RU1811569C

RU1811569C - Friction disk on base of carbon

Info

Publication number: RU1811569C
Application number: SU915002596A
Authority: RU
Inventors: Валерий Васильевич Кулаков; Галина Васильевна Загайнова; Антонина Ивановна Павлова; Светлана Владимировна Шулепова; Александр Викторович Демин
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1991-08-01
Publication date: 1993-04-23

Abstract

Использование: в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других област х техники. Сущность изобретени : фрикционные накладки диска выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину , большую толщины сло дискретных волокон силового каркаса диска, а толщина упом нутого сло каркаса составл ет 10- 80% толщины сло непрерывных углеродных нитей этого каркаса. При этом отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине сло дискретных уме- родных волокон в силовом каркасе наводитс в пределах 5-20. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.Usage: in brake systems in the aviation, automotive and other fields of technology. The inventive friction linings of the disk are made of discrete carbon fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa and have a thickness greater than the thickness of the layer of discrete fibers of the power frame of the disk, and the thickness of said layer of the frame is 10-80% of the thickness of the layer of continuous carbon filaments of this frame . In this case, the ratio of the thickness of each friction lining to the thickness of the layer of discrete fusion fibers in the power cage is induced in the range of 5-20. 1 C.p. f-ls, 2 ill.

Description

елate

СWITH

Изобретение относитс к области машиностроени , в частности, .к фрикционным дискам на основе углерода, примен ющим- . с в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других област х техники.The invention relates to mechanical engineering, in particular to carbon-based friction discs using -. c in brake systems in the aviation, automotive and other fields of technology.

Целью изобретени вл етс увеличе- ® ние стабильности физико-механических и фрикционных характеристик фрикционного диска на основе углерода в услови х повышенных динамических нагрузок.The aim of the invention is to increase the stability of the physicomechanical and frictional characteristics of a carbon-based friction disk under conditions of increased dynamic loads.

Указанна цель достигаетс тем, что фрикционный диск на основе углерода содержит силовой каркас из чередующихс слоев непрерывных углеродных нитей и дискретных углеродных волокон и фрикционные накладки из сло дискретных углеродных волокон, расположенные по обе стороны от силового каркаса, причем фрикционные накладки и силовой каркас пропитаны и св заны друг с другом углеродным св зующим; фрикционные накладки выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины сло дискретных волокон в силовом каркасе, а толщина сло дискретных волокон в силовом каркасе составл ет 10-80% толщины сло непрерывных нитей,This goal is achieved in that the carbon-based friction disk comprises a power frame of alternating layers of continuous carbon filaments and discrete carbon fibers and friction linings of a layer of discrete carbon fibers located on both sides of the power frame, and the friction linings and power frame are impregnated and bonded to each other by a carbon binder; friction linings are made of discrete carbon fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa and have a thickness greater than the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame, and the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame is 10-80% of the thickness of the continuous filament layer,

Цель достигаетс также тем, что отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине сло дискретных углеродных волокон в силовом каркасе находитс в пределах 5-20.The goal is also achieved in that the ratio of the thickness of each friction lining to the thickness of the layer of discrete carbon fibers in the power cage is in the range of 5-20.

Выполнение фрикционных накладок предлагаемого диска в виде одного утолщенного сло дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа исключает контактирование при трении разноименныхThe implementation of the friction linings of the proposed disk in the form of one thickened layer of discrete fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa eliminates contact during friction of unlike

0000

СЛ О ОSL O O

соwith

слоев. При отсутствии во фрикционных накладках низкомодульных армирующих наполнителей обеспечиваютс оптимальные услови дл образовани на их поверхности в процессе торможени тонких пленок, оказывающих определ ющее вли ние на износостойкость . Кроме того, высокомодульные волокна имеют наибольшую теплопроводность , что обеспечивает теплоотвод с поверхности диска, Данный эффект в наибольшей степени про вл етс лишь в том случае, если в силовом каркасе также расположены аналогичные высокомодульные волокна, При этом соотношение толщин слоев дискретных и непрерывных волокон взаимосв зано с толщиной фрикционной накладки, а верхний предел содержани высокомодульных волокон в силовом каркасе ограничен необходимостью обеспечени прочности.layers. In the absence of low-modulus reinforcing fillers in the friction linings, optimal conditions are provided for the formation of thin films on their surface during braking, which have a decisive influence on wear resistance. In addition, high-modulus fibers have the highest thermal conductivity, which ensures heat removal from the surface of the disk. This effect is most pronounced only if similar high-modulus fibers are also located in the power cage. Moreover, the ratio of the thicknesses of the layers of discrete and continuous fibers is interconnected with the thickness of the friction lining, and the upper limit of the content of high modulus fibers in the power cage is limited by the need to provide strength.

Экспериментально установлено, что при использовании в изготовлении фрикционного диска дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и отношении толщины сло таких волокон во фрикционных накладках к толщине их сло в силовом каркасе в пределах от 5 до 20, при условии, что толщина сло дискретных волокон в силовом каркасе составл ет 10-80% толщины сло непрерывных волокон, достигаетс наиболее равномерное распределение тепла в объеме диска и снижение интенсивности окислительных процессов, привод щее к увеличению стабильности прочностных и фрикционных характеристик фрикционного диска на основе углерода в услови х повышенных динамических нагрузок , что.иллюстрируетс приведенными ниже примерами.It was experimentally established that when discrete fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa are used in the manufacture of a friction disk and the ratio of the thickness of the layer of such fibers in the friction linings to the thickness of their layers in the power cage is in the range from 5 to 20, provided that the layer thickness of the discrete fibers in the power cage, it makes up 10-80% of the thickness of the continuous fiber layer, the most uniform heat distribution in the disk volume and a decrease in the intensity of oxidative processes, leading to an increase in stability, are achieved of the structural and frictional characteristics of a carbon-based friction disk under conditions of increased dynamic loads, which is illustrated by the following examples.

Известные фрикционные диски не обладают вышеуказанными свойствами и не обеспечивают их эксплуатацию в данных услови х .Known friction discs do not possess the above properties and do not provide for their operation under the given conditions.

На фиг.1 показан фрикционный диск; на фиг.2 - сечение А-А на фиг. 1.Figure 1 shows a friction disc; figure 2 - cross section aa in fig. 1.

Фрикционный диск состоит из двух наружных фрикционных накладок 1 и внутрен- него силового каркаса 2. Наружные фрикционные накладки 1 состо т из сло дискретных высокомодульных волокон 3. увеличенной толщины. Внутренний силовойThe friction disk consists of two outer friction linings 1 and an internal power cage 2. The outer friction linings 1 consist of a layer of discrete high modulus fibers 3. of an increased thickness. Internal power

Поглощаема кинетическа энерги , Kinetic energy absorbed

Давление, кгс/смPressure, kgf / cm

Скорость начала торможени , м/секBrake start speed, m / s

каркас 2 состоит из слоев меньшей толщины из дискретных углеродных волокон 3. заключенных между параллельно уложенными превосход щими их по толщине сло миframe 2 consists of layers of smaller thickness made of discrete carbon fibers 3. enclosed between parallel layers of layers exceeding them in thickness

из непрерывных углеродных нитей 4.from continuous carbon filaments 4.

Фрикционный диск на основе углерода может быть изготовлен следующим образом .The carbon-based friction disk can be made as follows.

Пример 1. Дл изготовлени фрикционного диска используют непрерывные углеродные волокна в виде тканевых раскроев наружным диаметром 530 мм и внутренним диаметром 320 мм, дискретные углеродные волокна длиной от 0,5 до 3 мм и каменноугольный пек с температурой разм гчени 70°С. Предварительно го гов т смесь дискретных углеродных волокон и порош ка пека с размерами частиц не более 0,2 мм. Затем набирают пресспакет, размеща в нижней иExample 1. For the manufacture of a friction disk, continuous carbon fibers are used in the form of fabric cuts with an outer diameter of 530 mm and an inner diameter of 320 mm, discrete carbon fibers with a length of 0.5 to 3 mm and coal tar pitch with a softening temperature of 70 ° C. A mixture of discrete carbon fibers and pitch powder with a particle size of not more than 0.2 mm is preliminarily prepared. Then they get the prespack, placing them in the bottom and

верхней его части слои увеличенной толщины смеси дискретных волокон с порошком пека, а в средней части поочередно укладывают тканевые раскрои, и слои смеси дискретных волокон с порошком пека. Изthe upper part of the layers of increased thickness of a mixture of discrete fibers with pitch powder, and in the middle part alternately lay fabric cuts, and layers of a mixture of discrete fibers with pitch powder. Of

пресспакета методом гор чего прессовани hot pack pressing method

при 150-200°С формуют заготовку, которую подвергают чередующимс циклам карбонизации при 800-1250°С и пропитки расплавом пека, а затем термообрабатываютat 150-200 ° C, a preform is formed, which is subjected to alternating cycles of carbonization at 800-1250 ° C and impregnation with a molten pitch, and then heat treated

до температуры эксплуатации и пропитывают пиролитическим углеродом до получени необходимой плотности.to operating temperature and impregnated with pyrolytic carbon to obtain the desired density.

Диски изготавливали в соответствии с примером 1, но выполн ли с применениемDisks were made in accordance with example 1, but were made using

дискретных волокон с различным модулем и различных типов наполнителей на основе непрерывных углеродных нитей; измен ли отношение толщины фрикционных накладок к толщине сло дискретных волокон вdiscrete fibers with different modulus and various types of fillers based on continuous carbon filaments; the ratio of the thickness of the friction linings to the thickness of the layer of discrete fibers was changed in

силовом каркасе и толщину сло дискретных волокон в силовом каркасе по отношению к толщине сло непрерывных волокон. Изменение свойств фрикционных дисков в зависимости от указанных выше факторов вthe power cage and the thickness of the discrete fiber layer in the power cage with respect to the thickness of the continuous fiber layer. Changing the properties of friction discs depending on the above factors in

сравнении с прототипом приведены в таблице .Comparison with the prototype are given in the table.

Определение фрикционных характеристик образцов по режимам 1 и 2, приведен- ным в таблице, проводилось в следующихDetermination of the frictional characteristics of the samples according to modes 1 and 2 given in the table was carried out in the following

режимах:modes:

Режим 2 2.6 х 10 14 32Mode 2 2.6 x 10 14 32

Фрикционный диск работает следующим образом.Friction disk works as follows.

При включении фрикционного устройства (не показано), в котором используетс предлагаемый фрикционный диск, на его фрикционные накладки воздействуют сопр гаемыми с ним фрикционными элементами , например колодками, аналогичными дисками (не показаны) и они изнашиваютс . Генерируемые в процессе возникшего фрикционного контакта на поверхности трени диска тепловые потоки воспринимаютс его фрикционными накладками и за счет их выс окой теплопроводности, а также за счет наличи теплопроводных слоев дискретных волокон в силовом каркасе равномерно перераспредел ютс в объеме диска. В результате этого температурные градиенты выравниваютс , интенсивность окислительных процессов падает, а стабильность физико-механических и фрикционных показателей диска увеличиваетс ,;When you turn on the friction device (not shown), which uses the proposed friction disk, its friction pads are affected by the friction elements mating with it, e.g., pads, similar disks (not shown) and they wear out. The heat fluxes generated during frictional contact on the friction disk surface are perceived by its friction linings and due to their high thermal conductivity, as well as due to the presence of heat-conducting layers of discrete fibers in the power frame, they are uniformly redistributed in the disk volume. As a result, temperature gradients are smoothed out, the intensity of oxidative processes decreases, and the stability of physicomechanical and frictional parameters of the disk increases,;

Повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик диска особенно важно при его эксплуатации в услови х повышенных динамических нагрузок и, как следует из таблицы, достигаетс лишь при соблюдении всех необходимых требований к величине модул упругости используемых в его изготовлении дискретных углеродных волокон, толщине выполн емых из них фрикционных накладок по отношению к толщине сло дискретных волокон в силовом каркасе, а.также к соотношению толщин слоев дискретных волокон и непрерывных нитей в силовом каркасе (примеры 1,2,4,5,9,10,12). В этом случае достигаетс эффект снижени потерь прочности в 1,5-2,1 раза, а износостойкости - в 1,3-1.8 раза по отношению к прототипу и полностью исключаетс возможность разрушени дисков.Improving the stability of the physicomechanical and frictional characteristics of a disk is especially important when it is used under conditions of increased dynamic loads and, as follows from the table, is achieved only if all the necessary requirements for the modulus of elasticity of the discrete carbon fibers used in its manufacture and thicknesses made of friction lining in relation to the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame, and also to the ratio of the thicknesses of the layers of discrete fibers and continuous threads in the power Arkása (examples 1,2,4,5,9,10,12). In this case, the effect of reducing the loss of strength by 1.5-2.1 times and wear resistance by 1.3-1.8 times with respect to the prototype is achieved and the possibility of destruction of the disks is completely eliminated.

Уменьшение модул упругости используемых в изготовлении диска дискретных волокон (пример 2) вызывает большее снижение его износостойкости из-за отсутстви на его поверхности тонких, способствующих стабилизации износа пленок. Потер прочности диска также возрастает из-за неравномерного распределени температур на поверхности и в объеме диска и обусловленной им интенсификации окислительных процессов и приводит к разрушению диска в услови х повышенных динамических нагрузок.A decrease in the modulus of elasticity of the discrete fibers used in the manufacture of the disk (Example 2) causes a greater decrease in its wear resistance due to the absence of thin films on its surface that contribute to the stabilization of the wear of the films. The loss in strength of the disk also increases due to the uneven distribution of temperatures on the surface and in the volume of the disk and the resulting intensification of oxidative processes and leads to destruction of the disk under conditions of increased dynamic loads.

Снижение отношени толщины фрикционных накладок к толщине сло дискретных волокон в силовом каркасе ниже 5 (пример 6) и толщины сло дискретных волокон вThe decrease in the ratio of the thickness of the friction linings to the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame below 5 (example 6) and the thickness of the layer of discrete fibers in

силовом каркасе ниже 10% толщины сло непрерывных нитей (пример 8) приводит к возрастанию потери прочности дисков в 2,4 и 2,2 раза и снижению износостойкости в 1,7 и 2,2 раза соответственно, также обусловленным окислительным процессами,a power cage below 10% of the thickness of the continuous filament layer (Example 8) leads to an increase in the loss of strength of the discs by 2.4 and 2.2 times and a decrease in wear resistance by 1.7 and 2.2 times, respectively, also caused by oxidative processes,

При увеличении отношени толщины фрикционных накладок к толщине сло дискретных волокон в силовом каркасе выше 25 (пример 7) и толщины сло дискретных волокон в силовом каркасе выше 80% толщины сло непрерывных нитей (пример 11) происходит разрушение дисков из-за их недостаточной прочности.When the ratio of the thickness of the friction linings to the thickness of the layer of discrete fibers in the power cage is higher than 25 (Example 7) and the thickness of the layer of discrete fibers in the power cage is higher than 80% of the thickness of the layer of continuous filaments (Example 11), disks are destroyed due to their insufficient strength.

Таким образом, при выполнении фрик . ционных накладок фрикционного диска на основе углерода-из дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа, отношении их толщины к толщине сло дискретных волокон в силовом каркасе,Thus, when performing a freak. lining of a friction disk based on carbon from discrete fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa, the ratio of their thickness to the thickness of the layer of discrete fibers in the power cage,

наход щемс в пределах от 5 до 20 и толщине сло дискретных волокон в силовом каркасе , составл ющем от 10 до 80% толщины сло непрерывных волокон, достигаетс повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик вwhich is in the range from 5 to 20 and the thickness of the layer of discrete fibers in the power cage, comprising from 10 to 80% of the thickness of the layer of continuous fibers, an increase in the stability of physico-mechanical and frictional characteristics in

Claims

1. A carbon-based friction disk comprising a power frame of alternating layers of continuous carbon filaments and discrete carbon fibers and friction linings of a layer of discrete carbon fibers located on both

sides of the power frame, and the friction linings and the power frame are impregnated and bonded to each other with a carbon binder, characterized in that the friction linings are made of discrete carbon fibers with an elastic modulus of at least 250 GPa and have a thickness greater than the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame, and the thickness of the layer of discrete fibers in the power frame is

10-80% of the thickness of the continuous fiber layer.

2. The disk according to claim 1, more often and with the fact that the ratio of the thickness of each friction lining to the thickness of the layer of discrete carbon fibers in the power frame 5 is in the range of 5-20.

Fie. 1

I & $ /, &

V / PG i. L

L pyX .HOOT.SvX /.

V. X

/ V / / C v ". 7 ... A C S: U.

o t.:r