Фрикционный диск

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(57) Фрикционный диск, содержащий несущий элемент со сквозными замкнутыми пазами и расположенные по обеим его сторонам кольцевые фрикционные накладки, связанные между собой фрикционным материалом через сквозные замкнутые пазы и обод по наружному контуру несущего элемента, отличающийся тем,что несущий элемент снабжен, по меньшей мере, тремя сквозными замкнутыми наклонно-радиальными пазами, причем отношение их суммарной площади к площади перекрытия фрикционной накладкой металлического несущего элемента выбрано равным 0,027-0,072.(56) 1. А. с. СССР 1293390, МПК 16 13/64, 1987. 2. А. с. СССР 679741, МПК 16 13/64, 1971 (прототип). 3. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М. Мир, 1975. Фиг. 4 Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в конструкциях тормозов и муфт сцепления. 440 Известен фрикционный диск 1, содержащий несущий элемент со сквозными отверстиями и радиальными пазами и расположенные по обеим его сторонам кольцевые фрикционные накладки, выполненные с ободами по наружному контуру. При использовании известной конструкции в производстве тормозных дисков, изготовление которых осуществляется приформовкой фрикционных накладок непосредственно к металлической основе в процессе изготовления изделия, в материале накладок возникают высокие остаточные термические напряжения, вызванные различием механических и теплофизических свойств материала фрикционной накладки и металлического несущего элемента. Эти напряжения приводят к нарушению сплошности фрикционной накладки, образованию трещин, а следовательно и к повышению доли брака изделий. Особенно этот недостаток проявляется при использовании новых высокоэффективных фрикционных материалов с полимерной матрицей. Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности существенных признаков является фрикционный диск 2, содержащий несущий элемент со сквозными замкнутыми пазами и расположенные по обеим его сторонам кольцевые фрикционные накладки, связанные между собой через сквозные замкнутые пазы и ободом по наружному контуру несущего элемента. Недостатком при использовании известной конструкции являются также высокие остаточные напряжения в материале фрикционных накладок, возникающие при производстве тормозных дисков и приводящие к растрескиванию материала накладок, что увеличивает долю брака и ограничивает возможности использования фрикционных материалов с полимерной матрицей в таких изделиях. Задачей настоящей полезной модели является уменьшение доли брака за счет снижения уровня остаточных напряжений в материале фрикционной накладки тормозного диска путем оптимизации формы замкнутых сквозных пазов и соотношения суммарной площади пазов в металлическом несущем элементе к площади перекрытия элемента фрикционной накладкой. Поставленная задача решается тем, что в известном фрикционном диске, содержащем несущий элемент со сквозными замкнутыми пазами и расположенные по обеим его сторонам кольцевые фрикционные накладки, связанные между собой через сквозные замкнутые пазы и обод по наружному контуру несущего элемента, согласно полезной модели, несущий элемент снабжен, по меньшей мере, тремя сквозными замкнутыми наклонно-радиальными пазами, причем отношениеих суммарной площади к площади перекрытия фрикционной накладкой металлического несущего элемента выбрано равным 0,028-0,072. Выполнение несущего элемента, по меньшей мере, с тремя сквозными замкнутыми наклонно-радиальными пазами и указанным соотношением площадей приводит к снижению расчетного уровня остаточных напряжений в материале фрикционной накладки на 24-29 в сравнении с прототипом. Снижение уровня остаточных напряжений в материале фрикционной накладки приводит к повышению вероятности выхода годных изделий и уменьшению доли брака на 50-70 . На фиг. 1 изображен фрикционный диск на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 на фиг. 3 - варианты исполнения тормозного диска на фиг. 4 - схема, иллюстрирующая размещение тормозного диска в тормозной системе. Заявляемый фрикционный диск 1 (фиг. 1 и 2) содержит несущий элемент 2 со сквозными замкнутыми наклонно-радиальными пазами 3, кольцевые фрикционные накладки 4 с ободом 5 по наружному контуру 6. Передача нагрузки в этом фрикционном диске осуществляется за счет адгезионного соединения материала накладки с металлическим несущим элементом, жесткой фиксации накладок на металлическом элементе через сквозные пазы и за счет когезионного взаимодействия накладок по ободам. Как уже отмечалось, размещение предлагаемого тормозного диска в тормозной системе транспортного средства иллюстрируется схемой, представленной на фиг. 4. На ней тормозной диск 1 размещен на ведущей шестерне 7 конечных передач с правой и левой стороны заднего моста. Тормоз состоит из кожухов 8, тормозных дисков 1, нажимных дисков 9, шариков 10, пружин 11 и болтов 12. Тормозная система транспортного средства работает следующим образом. Транспортное средство приводят в движение. При необходимости экстренного торможения или периодического подтормаживания воздействуют на педаль 13 тормоза. При нажатии на педаль 13 тормоза стержень педали 14, перемещаясь вниз, вращает рычаг 15 тормоза, от которого усилие передается через сферическую шайбу 16 и болт 12 на вилку 17. При перемещении вилки 17 усилие тяги 18 передается на нажимные диски 9, которые поворачиваются относительно друг друга. При этом шарики 10, перемещаясь по профильным канавкам дисков 9, раздвигают диски. Зазор между поверхностями трения тормозных дисков 1, кожуха 8, нажимных дисков 9 и поверхностью крышки 19 стакана уменьшается. При дальнейшем нажатии на педали происходит торможение дисков 1 за счет трения накладок дисков по перечисленным поверхностям. Это торможение через шестерни 7 конечных передач и полуоси передается на ведущие колеса транспортного средства. Благодаря конструктивному выполнению тормозного диска увеличивается ресурс пары тормозной диск нажимной диск за счет выполнения несущего элемента, по меньшей мере, с тремя сквозными замкнутыми на 2 440 клонно-радиальными пазами и оптимизации соотношения их суммарной площади к площади перекрытия фрикционной накладкой металлического несущего элемента. Расчет остаточных напряжений проводился численно с использованием метода конечных элементов 3. Величина остаточных напряжений во фрикционной накладке определялась при времени охлаждения 2,5 ч после извлечения тормозного диска с приформованными накладками из пресс-формы, нагретой до температуры отверждения материала (1855) С. Для установления влияния конструкции металлического несущего элемента фрикционного диска на уровень остаточных напряжений во фрикционной накладке рассматривали варианты конструкций, отличающиеся количеством наклонно-радиальных пазов и углом наклона паза(фиг. 3 г) наклонно-радиальными пазами. Результаты вычислений напряжений в материале фрикционных накладок тормозного диска приведены в табл. 1. Таблица 1 Обобщенный количественный анализ напряженного состояния тормозных дисков для различных конструкций металлического несущего элемента Угол наклона паКоличество наклонно 0,5 15 30 45 радиальных пазов за,3 46,8 47,1 47,1 46,7 экв, МПа экв - напряжения по Мизесу. В качестве примера, подтверждающего эффективность используемой полезной модели, были проведены вычисления остаточных напряжений во фрикционной накладке при аналогичных граничных условиях для различных конструкций металлического несущего элемента и выполненных- с шестью симметричными сквозными отверстиями и радиальными открытыми пазами в металлическом несущем элементе со стороны его наружного контура (конструкция )- с шестью открытыми пазами без отверстий (конструкция )- по прототипу шестью сквозными отверстиями (конструкция )- содержащий по восемь сквозных отверстий и открытых пазов (конструкция ), с восемью открытыми пазами без отверстий (конструкция ) и с восемью сквозными отверстиями без открытых пазов (конструкция )- без отверстий (конструкция ). Результаты расчета напряженного состояния фрикционных дисков для различных конструкций металлического несущего элемента, выполненных по прототипу и его вариациям, приводятся в табл. 2. Таблица 2 Обобщенный количественный анализ напряженного состояния тормозных дисков для различных конструкций металлического несущего элемента, выполненных по прототипу и его вариациям 0,16 0,09 0,07 0,21 0,12 0,09 1 Изменение конструкции металлической основы (конструкцияи ) приводит к изменению как характера распределения напряжений, так и их количественных значений. Увеличение количества отверстий и открытых пазов в металлической основе приводит к снижению напряжений на 12 . В результате расчетов было получено, что для несущего элемента с наклонно-радиальными пазами(фиг. 3 а-г) значения напряжений во фрикционной накладке меньше, чем в остальных рассмотренных случаях. В конструкции(несущий элемент без отверстий и открытых пазов) значение напряжений по Мизесу составило экв 64,5 МПа. Для заявляемых конструкций значения напряжений в накладках находятся в пределах 46,5-50,9 МПа. Угол наклона пазана значение максимальных напряжений существенного влияния не оказывает. 440 При выполнении конструкции диска с соотношением площадей более 0,072 величина остаточных напряжений превышает 66,0 МПа и нарушается жесткость металлического несущего элемента, что может вызвать потерю работоспособности тормозного узла машины в целом. Приведенные данные свидетельствуют, что оптимальным соотношением суммарной площади замкнутых сквозных наклонно-радиальных пазов к площади перекрытия фрикционной накладкой металлического несущего элемента является 0,028-0,072. Предел прочности при сжатии полимерных фрикционных материалов, не содержащих в составе каучука,составляет 71-96 МПа, предел прочности при растяжении - 42-56 МПа. Т.е. внутренние остаточные напряжения сравнимы с характеристиками прочности используемых фрикционных материалов. Следовательно,уменьшение внутренних остаточных напряжений в материале накладки приводит к снижению вероятности появления брака деталей за счет образования трещин, нарушения сплошности и т.д. Экспериментально установлено, что снижение уровня остаточных напряжений на 24-29 при использовании фрикционных материалов на термореактивных связующих, например, СФ 342-А (ГОСТ 18694-80), приводит к уменьшению доли бракованных изделий на 50-70 . Таким образом, заявляемая полезная модель по сравнению с известными обеспечивает уменьшение доли брака на 50-70 за счет снижения уровня остаточных напряжений в материале фрикционной накладки фрикционного диска путем оптимизации формы замкнутых сквозных пазов и соотношения суммарной площади пазов в металлическом несущем элементе к площади перекрытия элемента фрикционной накладкой. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.