ES2220922T3 - Material de friccion reforzado. - Google Patents

Material de friccion reforzado.

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ES2220922T3
ES2220922T3 ES95630067T ES95630067T ES2220922T3 ES 2220922 T3 ES2220922 T3 ES 2220922T3 ES 95630067 T ES95630067 T ES 95630067T ES 95630067 T ES95630067 T ES 95630067T ES 2220922 T3 ES2220922 T3 ES 2220922T3
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Yongbin Yuan
Stanley Frank Kulis, Jr.
Timothy Franklin Merkel
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Abstract

UN MATERIAL DE FRICCION REFORZADO Y MEJORADO QUE CONSTA DE UN MEZCLA DE MATERIAL DE FRICCION CURADO DE PARTICULAS DE FRICCION, PARTICULAS DE RELLENO Y PARTICULAS AGLOMERANTES, Y QUE TIENE UN REFUERZO DE NUCLEO DE REJILLA INCRUSTADO CUYAS CELULAS INDIVIDUALES ESTAN CONCRETAMENTE LLENAS Y UNIDAS EN LAS PAREDES DE CELULA A LA MEZCLA DE MATERIAL DE FRICCION CURADO MEDIANTE UN METODO DE FABRICACION NUEVO.

Description

Material de fricción reforzado.
La presente invención hace referencia a una pieza de material de fricción reforzada según se indica en la reivindicación 1, y a un método para fabricar un molde de material de fricción reforzado solidificado según las características de la reivindicación 18.
Esta invención se refiere en general a los materiales de fricción útiles para ser incorporados en diversos dispositivos de freno y otros aparatos que producen fricción, y en particular hace referencia a la fabricación de un material de fricción reforzado que tiene un núcleo faviforme o en forma de panal empotrado o embebido para su refuerzo.
Es bien conocido el uso en automóviles y otros vehículos de transporte de los diversos dispositivos de frenado como el conjunto de freno de tambor o de freno de disco y similares. Dichos dispositivos funcionan retardando o interrumpiendo el movimiento del vehículo, cuando va a elevada velocidad y en caso de elevada deceleración del vehículo. En el proceso de frenado, mucha o prácticamente casi toda la energía cinética del vehículo se convierte en calor de fricción en las superficies del material o materiales de fricción incorporados a los dispositivos de freno del vehículo. Dicho proceso de frenado frecuentemente da lugar a temperaturas muy altas que se desarrollan en el material o materiales de fricción.
Los materiales de fricción incorporados a los conocidos dispositivos de frenado generalmente utilizan fibras de refuerzo discretas o filamentos de refuerzo continuos para fines de refuerzo del material, y a menudo con un compromiso en cuanto a una o más de las cualidades del material de resistencia al desgaste, ruido en el frenado y liberación de los restos de fibras. La patente US-A-3.639.197 editada en nombre de España, por ejemplo, revela el uso de ambos filamentos de carbono continuos y unas fibras de carbono cortas orientadas de forma aleatoria como refuerzos en el estator y rotor del equipo de frenado del avión.
La US-A-3.759.353 editada en nombre de Marin muestra el uso de refuerzos a base de tejido de filamento de carbono hilado y bobinado circunferencialmente en una estructura de disco de fricción a base de freno de disco.
La US-A-4.373.038 EDITADA EN NOMBRE DE Moraw y cols., muestra un material de fricción libre de asbestos, útil para guarniciones de frenos, embragues, etc. y que consta de una combinación de fibras de aramida, fibras minerales, y fibras de acero que refuerzan un ligante endurecible.
La US-A-4.384.640 editada en nombre de Trainor y cols. Revela un compuesto de fricción donde las fibras de aramida únicamente, a veces en forma de filamento continuo y a veces en forma de fibra discreta, se utilizan como refuerzos en la fabricación de diversos componentes del freno o del embrague.
La US-A-4.418.115 editada en nombre de Le Lannou muestra un material de guarnición de la fricción que se utiliza en frenos, embragues y demás aplicaciones que tiene tanto fibras minerales como fibras orgánicas como refuerzos en una mezcla a base de rellenos y un ligante. Las fibras orgánicas se componen al menos parcialmente de un tipo de fusión reticulable como las fibras acrílicas o modacrílicas.
La US-A-4.997.067 concedida en el nombre de Watts muestra también un material de fricción para frenos, embragues, etc. donde el medio de refuerzo es un tejido plano que incluye fibras de flúor (politetraflúoretileno) en forma de hilo. Ver también US-A-3.365.041 otorgado en nombre de Stormfeltz para una muestra de un embrague de fricción del uso convencional anterior de ambas fibras de asbestos y fibras de vidrio en un tejido de refuerzo plano que se sumerge en un material de fricción que tiene también rellenos y ligantes de resina de formaldehído fenólica.
En lo que se refiere a la reducción del ruido en un dispositivo de frenado, consultar la US-A 5.083.643 editada en el nombre de Hummel y cols. y asignada al cesionario de esta invención. El material de fricción que aquí se muestra incorporaba fibras de refuerzo que se han descrito más particularmente como fibras de vidrio, fibras de lana de roca o lana mineral, fibras minerales tratadas o fibras de materiales refractarios.
Esta invención ofrece unas ventajas de rendimiento respecto a los materiales de fricción a los que se ha hecho referencia, en particular con respecto a la reducción del ruido de resonancia, la resistencia al desgaste elevada, un rendimiento del material de fricción más consistente y minimizar la liberación de restos de fibras. Otras ventajas se pondrán de manifiesto a partir de una consideración detallada de la invención descrita y de un método de fabricación del material de fricción que se ha detallado y reivindicado.
La parte del material de fricción reforzada de la presente invención se define en la parte caracterizante de la reivindicación 1.
El método de fabricación de un molde de material de fricción reforzado solidificado se define en la parte caracterizante de la reivindicación 19.
Para conseguir los objetivos de esta invención, nosotros aportamos un equipo de freno del vehículo o bien similar con uno o más elementos de fricción reforzada mejorada. El material de fricción reforzado mejorado, que típicamente no consta de fibra o bien contiene cantidades relativamente pequeñas de fibras discontinuas para conseguir las características de desgaste y fricción deseadas es de naturaleza carbonosa. Consta de una mezcla curada de partículas de modificador de fricción, partículas de relleno, un ligante de resina polimérica, y un núcleo de refuerzo embebido. El núcleo de refuerzo elimina la necesidad de unas fibras de refuerzo discretas o de unos filamentos de refuerzo continuos dentro del material de fricción. Algunas de las partículas de mezcla pueden cumplir también una función especial como lubricación. El núcleo que refuerza el material de fricción, que tiene múltiples células contiguas, de extremos abiertos, se sumerge en la partícula o mezcla en polvo durante la fabricación del material de fricción del elemento de frenado de tal forma que después de la polimerización del ligante de resina polimérica del material de fricción, las células del núcleo de refuerzo se llenan completamente de la mezcla curada que se pega a las paredes celulares. Ejemplos de las partículas carbonosas utilizadas incluyen partículas de grafito, partículas de negro de humo, partículas de coque y partículas de caucho. Ejemplos de partículas de relleno útiles incluyen partículas metálicas, partículas de óxido metálico y barrita y otras partículas minerales. Ejemplos de materiales de núcleo reforzado incluyen un núcleo faviforme de aluminio expandido, un núcleo faviforme de acero soldado, un núcleo faviforme de resina fenólica reforzada a base de fibra de vidrio y materiales del núcleo expandido similares. Ejemplos de las fibras discontinuas usadas para modificar las características de fricción o desgaste en la mezcla del material de fricción incluyen lana de acero, carbón, vidrio molido, minerales, fibra de vidrio y fibras de Kevlar.
Se cree que el material de fricción reforzado de esta invención puede tener también una aplicación ventajosa para la fabricación de los componentes de fricción del mecanismo de embrague, y para utilizar aplicaciones distintas de la del automóvil.
A través de los esquemas y de la descripción que sigue a continuación, se hace referencia a los núcleos de refuerzo que tienen células de núcleo de extremo abierto con una configuración de la sección transversal de la célula hexagonal que equivalen a núcleos faviformes de refuerzo. El término tal como se utiliza en esta aplicación pretende incluir núcleos de refuerzo con células contiguas de extremos abiertos de diferentes configuraciones transversales como de tipo cuadrado, rectangular, triangular, trapezoidal, romboidal y las configuraciones de tipo transversal similares (forma de ala).
Para que la invención pueda comprenderse totalmente se hace referencia a los esquemas siguientes, donde
- Figura 1 es una vista en planta de un equipo o conjunto de protección de la fricción de un freno de disco que tiene una estructura preferida del material de fricción mejorado de esta invención incorporada en el mismo;
- La figura 2 es una vista en alzado tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1;
- La figura 3 es una vista alargada de una parte de la figura 2;
- Las figuras 4 a 7 son vistas esquemáticas del aparato de moldeo por compresión en etapas sucesivas de uso en la fabricación del material de fricción estructurado utilizando el núcleo faviforme preferido que se representa en las figuras 1 a 3 de acuerdo con nuestra invención;
- La figura 8 es una vista en planta de una forma distinta de protección de la fricción del freno de disco que tiene también el material de fricción mejorado de esta invención incorporado en el mismo;
- La figura 9 es una visión en perspectiva de una zapata de fricción del freno de tambor que tiene el material de fricción mejorado de esta invención incorporado en la misma;
- Las figuras 10 hasta 13 ilustran diferentes geometrías de corte transversal producidas durante la fabricación de conocidos materiales de núcleo faviforme;
- La figura 14 es una vista en corte tomada a lo largo de la línea 14-14 de la figura 8;
- La figura 15 es una vista en corte que ilustra una estructura alternativa a un núcleo faviforme; y
- Las figuras 16 a 18 son vistas seccionales esquemáticas del aparato de moldeo por compresión en etapas sucesivas de uso en la fabricación de material de fricción estructurado utilizando el refuerzo del núcleo faviforme que se muestra en la figura 8.
Las figuras 1 y 2 ilustran, en planta y en alzado, respectivamente, un conjunto protector del rozamiento de un freno de disco de automóvil (10) compuesto por un componente de placa de base (12), y un componente protector de la fricción (14), fijados al componente de la placa de base mediante un adhesivo apropiado (16), como un adhesivo epoxi. El componente de la placa de base (12) típico es una pieza de acero estampado, provisto generalmente de agujeros de montaje (18) que se utiliza al incorporar el protector de fricción (10) a una instalación de freno de disco de una rueda de automóvil. El componente protector de la fricción (14) puede contener algunas fibras discretas discontinuas donde sea necesario, para obtener las características de desgaste y fricción deseadas. En los dibujos se ha diseñado la mezcla de material de fricción termocurado (20) y se ha diseñado el núcleo de refuerzo embebido (22). Aunque esta descripción se refiere al material de fricción termocurado, debería advertirse que el ligante utilizado en el material de fricción puede ser no termocurable. Por ejemplo, algunos ligantes se endurecen a temperatura ambiente.
A partir de los detalles de los dibujos debería observarse que el núcleo de refuerzo (22) en todos los casos se ha construido a base de múltiples células contiguas, de extremos abiertos, definidas por las paredes celulares. Sin embargo, las células pueden tener diferentes geometrías transversales dependiendo del método aplicable de fabricación del núcleo de refuerzo faviforme. En muchos casos, se prefiere una forma de ala transversal de célula hexagonal. (Ver figuras 1 y 8 hasta 10, por ejemplo). Otras configuraciones transversales de las células del núcleo disponibles se muestran y se han descrito en relación con las figuras 11 a 13. En general, nosotros actualmente preferimos núcleos de refuerzo faviformes hechos de aleación de aluminio, resina fenólica reforzada con fibra de vidrio, resina fenólica o resina epoxi reforzada con aramida, poliimidas reforzados con fibra de vidrio, poliimidas reforzados con fibra de carbono, termoplásticos, minerales, cerámica, metales o aleaciones metálicas, o combinaciones de los materiales mencionados o bien materiales comparables. Dichos núcleos normalmente tienen una densidad aparente (expandida) de 32,0 kg/cm^{3} (2 libras por pie cúbico) o superior. En algunos casos la densidad del núcleo, determinada por el tamaño celular aplicable, el espesor de pared celular, y el material de la pared celular, puede extenderse tanto como 321,0 kg/cm^{3} (20 libras por pie cúbico) para un material de poliimida reforzado con fibra de carbono expandido que tiene 0,476 cm (3/16 pulgadas) pared a pared, de células de extremos abiertos. Debería destacarse que nosotros preferimos núcleos de refuerzo faviformes en los cuales las paredes celulares se encuentran a una distancia entre 0,16 y 2,54 cm (1/16 y 1 pulgada). Si las paredes definen células circulares nosotros preferimos que las células tengan un diámetro entre 0,16 y 2,54 cm (1/16 y 1 pulgada). Es decir, en general, la proporción del peso del núcleo de refuerzo faviforme expandido respecto al peso total del material de fricción reforzado se sitúa aproximadamente entre un 5% y un 20%. Esto equivale a una comparación favorable respecto a los materiales convencionales de fricción reforzados con fibra y a los materiales de fricción reforzados con filamento continuo donde el peso del refuerzo fibroso únicamente, excede en general el 20% del peso total del material de fricción.
Un método preferido para incrustar o embeber el núcleo de refuerzo seleccionado (22) en la mezcla del material de fricción (20) se muestra esquemáticamente en las figuras 4 a 7 de los dibujos. Naturalmente, este no es el único proceso para fabricar un protector de fricción reforzado faviforme. Tal como se muestra en la figura 4, una mitad de un molde inferior (30) que tiene una cavidad (32) y unas clavijas de eyección (34) se precalienta preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 160ºC (320ºF) y un agente de liberación convencional se aplica como un revestimiento a la cavidad (32). La cavidad (32) tiene una forma planiforme y un tamaño que se adapta al tamaño y a la forma del componente del material de fricción que va a ser fabricado. Luego, aproximadamente un cuarenta por ciento (40%) de la mezcla en polvo requerida (36) necesaria para producir la pieza fabricada se coloca en la cavidad (32) y se distribuye de forma uniforme. Se debería destacar que si la mezcla en polvo (36) contiene algunas fibras discontinuas para conseguir las características de fricción o desgaste, las fibras deberían tener preferiblemente una longitud no superior a un cuarto de la distancia entre las paredes celulares opuestas o el diámetro de las células circulares.
La figura 5 muestra la siguiente etapa del proceso que implica la colocación de un núcleo de refuerzo faviforme expandido (38) dentro de la cavidad del molde (32) y con el núcleo faviforme (38) penetra la mezcla distribuida (36) hasta contactar la superficie inferior de la cavidad del molde. Básicamente, los ejes de las células del núcleo se orientan en ángulos rectos respecto a la superficie más inferior de la cavidad (32). Después, el proceso de fabricación continúa colocando el resto de la mezcla en polvo requerida (36) necesaria para producir la pieza fabricada en la cavidad del molde (32) y distribuyéndola uniformemente sobre el molde del núcleo de refuerzo faviforme (38) para llenar así completamente todas las células del núcleo. Ver figura 6.
Tal como se muestra en la figura 7, una mitad del molde superior (40), preferiblemente precalentada a aproximadamente 160ºC (320ºF) se monta junto a la mitad del molde inferior (30) haciendo que la superficie inferior de la mitad del molde superior (42) entre en contacto con la cantidad íntegra distribuida de la mezcla (36) y la comprima. Preferimos que las fuerzas de compresión aplicadas a las mitades del molde (30 y 40) sean suficientes para generar una presión de compresión isoestática de aproximadamente 4.13 MPa (600 libras por pulgada cuadrada) en toda la mezcla (36).
Seguidamente el interior de la cavidad rellenada (32) se ventila a la atmósfera en periodos de tiempo de 1 minuto, 2 minutos y 3 minutos después de una compresión inicial. A continuación, las fuerzas de compresión se incrementan preferiblemente a un nivel que producirá una presión de compresión isoestática de aproximadamente 8,26 MPa (1200 libras por pulgada cuadrada) en la mezcla comprimida y dicho nivel de compresión se mantendrá preferiblemente durante un periodo de aproximadamente 2 minutos.
Finalmente, la pieza así comprimida y parcialmente curada se extrae del molde usando las clavijas de eyección (34) y se traslada a un horno de curado. En el horno, la pieza es termocurada elevando la temperatura del material de fricción linealmente hasta aproximadamente 149ºC (300ºF) durante un periodo de 3 horas y luego manteniendo la pieza calentada a la temperatura de 149ºC (300ºF) durante otras 4 horas de tiempo. Después de enfriar a temperatura ambiente, la pieza del material de fricción fabricada está lista para su acabado y posterior incorporación al dispositivo de frenado o componente similar para el que está prevista.
Puede verse un refuerzo del núcleo faviforme alternativo (24) al observar la figura 15. El núcleo (24) tiene células contiguas, de extremos abiertos definidas por las paredes del mismo como núcleo (22) representadas en las figuras 1 a 9. El núcleo (24) tiene también una lámina de revestimiento (25) pegada a un extremo de sus paredes celulares. La lámina (26) proporciona rigidez adicional al núcleo de refuerzo (24).
Un método para incrustar el núcleo reforzado faviforme alternativo (24) que se muestra en la figura 15 en una matriz de material de fricción se ilustra esquemáticamente en las figuras 16 a 18. Como muestra la figura 16, una mitad del molde inferior (43) que tiene una cavidad (44) y unas clavijas de eyección (45) se calienta preferiblemente a una temperatura de unos 160ºC (320ºF) y se aplica un agente de liberación convencional como un revestimiento de la cavidad (44). La cavidad (44) tiene una forma planiforme y un tamaño que se adapta al tamaño y forma del componente del material de fricción que se va a fabricar. Seguidamente, el núcleo reforzado (24) se coloca en la cavidad (44) con la lámina protectora (24) junto a la base de la cavidad (24). Pude verse que los ejes de las células del núcleo se orientan en ángulos rectos a la superficie de la lámina de revestimiento (26) y a la superficie inferior de la cavidad (44). Luego, el proceso de fabricación continua colocando la mezcla del material de fricción requerida (46) necesaria para producir la pieza fabricada en la cavidad del molde (44) y distribuyéndola uniformemente sobre el núcleo de refuerzo faviforme (24) para llenar totalmente las células del núcleo. Ver figura
17.
Volviendo a la figura 18, puede verse que la mitad del molde superior (47), preferiblemente precalentada a aproximadamente 160ºC (320ºF) se monta junto a la mitad del molde inferior (43) haciendo que la superficie inferior de la mitad del molde superior (48) entre en contacto con la cantidad íntegra distribuida de la mezcla (46) y la comprima. Preferimos que las fuerzas de compresión aplicadas a las mitades del molde (43 y 47) sean suficientes para generar una presión de compresión isoestática de aproximadamente 4.13 MPa (600 libras por pulgada cuadrada) en toda la mezcla (46).
Seguidamente el interior de la cavidad rellenada (44) se ventila a la atmósfera en periodos de tiempo de 1 minuto, 2 minutos y 3 minutos después de una compresión inicial. A continuación, las fuerzas de compresión se incrementan preferiblemente a un nivel que producirá una presión de compresión isoestática de aproximadamente 8,26 MPa (1200 libras por pulgada cuadrada) en la mezcla comprimida y dicho nivel de compresión se mantendrá preferiblemente durante un periodo de aproximadamente 2 minutos.
Finalmente, la pieza así comprimida y parcialmente curada se extrae del molde usando las clavijas de eyección (45). Posteriormente la pieza se traslada a un horno de curado para ser termocurada elevando la temperatura del material de fricción linealmente hasta aproximadamente 149ºC (300ºF) durante un periodo de 3 horas y luego manteniendo la pieza calentada a la temperatura de 149ºC (300ºF) durante otras 4 horas de tiempo. Después de enfriar a temperatura ambiente, la pieza del material de fricción fabricada está lista para su acabado y posterior incorporación a un dispositivo de frenado o componente similar para el que está prevista.
En la tabla 1 siguiente, les aportamos los detalles de tres ejemplos de composiciones matriz del material de fricción que se han utilizado en la fabricación de nuestros materiales de fricción reforzados mejorados que tienen un refuerzo del núcleo faviforme incrustado (22 y 24). La mezcla designada "mezcla 1" tiene, una vez curada, un nivel de fricción adecuado para evitar la disminución de la capacidad de frenado por calentamiento cuando se usa con núcleos faviformes de compuestos reforzados a base de fibra de vidrio que tienen una densidad expandida mayor a unos 128,33 kg/m^{3} (8 libras por pie cúbico). La mezcla designada "mezcla 2" es satisfactoria para ser utilizada con núcleos faviformes fabricados a base de acero o lámina de aluminio (por ejemplo, aleación forjada de aluminio 5052) y que tienen una densidad expandida de cómo mínimo unos 80,2 kg/m^{3} (5 libras por pie cúbico). La mezcla designada "mezcla 3" incluye algunas fibras de carbono discontinuas que son deseables donde se precisa una resistencia al desgaste o al calentamiento elevada. La mezcla es apropiada para su uso con núcleos faviformes reforzados con fibra de vidrio que tienen una densidad expandida superior a unos 128,33 kg/m^{3} (8 libras por pie cúbico). Se ha descubierto que donde las fibras discontinuas se añaden a una mezcla en polvo en la fabricación de una pieza del material de fricción, la longitud de la fibra debería ser preferiblemente inferior a aproximadamente una cuarta parte de la distancia entre las paredes celulares opuestas o bien al diámetro de las células si son circulares, para garantizar un buen llenado de las paredes del núcleo faviforme. Si se utiliza la longitud de la fibra preferida, se producirá un llenado correcto de las células del núcleo, independiente del porcentaje de fibras discontinuas discretas añadidas a la mezcla. Todos los valores se dan en un porcentaje de piezas en base al
peso.
TABLA 1
1
En las pruebas con el dinamómetro de diversos materiales de fricción de núcleo faviforme reforzado, se observaba que determinados componentes de protección del disco que incorporan refuerzos del núcleo faviforme y que tienen una densidad expandida inferior a unos 448,7 kg/m^{3} (5 libras por pie cúbico), a veces exhibían una tendencia hacia una fisuración capilar interna. Para vencer el problema de la fisuración capilar interna, nosotros creamos o inventamos una protección híbrida del freno de disco en la cual el material de fricción con el refuerzo del núcleo faviforme está unido por sus bordes planiformes y en una cara por medio de un material de fricción compatible pero distinto. La figura 8 muestra el conjunto híbrido o equipo protector de la fricción del freno de disco resultante (50), en el cual el componente protector de la fricción (52) enlazado a un componente de placa de base de acero (54) tiene una zona principal de material de fricción situada en la parte interior (56) fabricada con un núcleo faviforme de baja densidad incrustado dentro de un receptáculo o taza (58) de material de fricción compatible. La zona del material de fricción (56) puede estar o no estar centrada con el componente protector (52). Ciertamente, la zona del material de fricción (56) puede desviarse lateral o longitudinalmente en el componente protector (52) y puede ocupar una parte relativamente pequeña del área total del componente protector (52). El material de fricción compatible puede tener o no tener una elevada conductividad térmica.
Si se desea una elevada conductividad térmica, puede utilizarse un material semi-metálico para el receptáculo. La fabricación de un equipo híbrido protector de la fricción del freno de disco que tenga una zona central de material de fricción (56) fabricada con un núcleo faviforme incrustado y encajado en un receptáculo con paredes (58) puede llevarse a cabo utilizando el proceso descrito a continuación. Un primer molde para la fabricación de la zona central del material (56) se calienta a una temperatura de aproximadamente 110ºC (230ºF). Seguidamente, aproximadamente un cuarenta por ciento (40%) de la mezcla en polvo requerida para la zona central del material de fricción (56) se coloca en la cavidad del molde inferior y se distribuye uniformemente. A continuación, se inserta un núcleo de refuerzo faviforme precortado y expandido en la cavidad del molde inferior con el núcleo faviforme penetrando la mezcla distribuida hasta que entra en contacto con la superficie inferior de la cavidad del molde inferior. Posteriormente, el resto de la mezcla en polvo requerida necesaria para producir la zona central (58) se coloca en la cavidad del molde inferior y se distribuye sobre el núcleo de refuerzo faviforme hasta llenar totalmente las células del núcleo. Luego la mitad superior del molde se encaja a la mitad del molde inferior haciendo que la superficie inferior de la mitad del molde superior entre en contacto con la cantidad total de la mezcla y haga que se comprima. Una fuerza de compresión de unos 1,37 MPa (200 libras por pulgada cuadrada) se aplica durante aproximadamente tres minutos para efectuar el molde previo. Este proceso es idéntico al descrito anteriormente en las figuras 4 a 7.
A continuación, la zona central del material de fricción así preparada (56) se retira del primer molde. Luego, la zona central del material de fricción (56) se coloca en un segundo molde (72) que tiene una forma plana de protección final como se puede ver en las figuras 19 a 21. Este molde (72) se calienta previamente a una temperatura de 160ºC (320ºF). La zona (56) se introduce en la parte central de la mitad del molde inferior (74) del segundo molde y la mezcla (56) que comprime el receptáculo con paredes (58) se distribuye uniformemente a lo largo del perímetro del área (56) y a través de la superficie superior (59) del área (56). Posteriormente, la mitad superior del molde (76) se monta junto a la mitad inferior del molde (74) haciendo que una fuerza de compresión se aplique en la zona central (56) y en la mezcla (55) formando el receptáculo (58). Preferiblemente, se aplica una fuerza de compresión de unos 8,26 MPa (1200 libras por pulgada cuadrada) a un segundo molde durante un periodo mínimo de dos minutos. Después, la pieza así comprimida y parcialmente curada es proyectada hacia fuera por las clavijas (78) desde el segundo molde (72) y transferida a un horno de curado donde se produce el termocurado.
Un ejemplo de un material de fricción no reforzado, semi-metálico, satisfactorio para un equipo híbrido protector de la fricción del freno de disco se muestra en la tabla 2 que sigue como "mezcla 4". De nuevo, todos los constituyentes se indican en porcentajes en peso.
TABLA 2
2 
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La figura 9 muestra la presente invención tal como se aplica a un equipo de zapatas de fricción de freno de tambor (60). El conjunto (60) incluye una base arqueada o curva de la zapata (62) unida y soportada por un refuerzo armado vertical (64). Un componente de la zapata de fricción (66), que tiene una arcada bajo su superficie que corresponde y encaja con la superficie superior de la base curva (62), se fija a la superficie superior de la base (62), mediante un adhesivo (68). Otras técnicas conocidas de fijación, como el uso de remaches o similares, pueden utilizarse para unir la zapata de fricción (66) a la base de la zapata (62). Preferentemente al uso de un adhesivo, en la construcción de la zapata de freno ilustrada en la figura 9 es importante que la zapata de fricción (66) se fabrique usando el material de fricción reforzado de nuestra invención. La presencia del refuerzo de núcleo faviforme incrustado en la matriz del material de fricción se muestra claramente en la figura 9.
Las figuras 10 a 13 se muestran en los dibujos para ilustrar algunas de las diferentes geometrías transversales de la célula que se pueden obtener en materiales de refuerzo del núcleo disponibles en el comercio. Los fragmentos de núcleo faviforme ilustrados se designan con 70, 80, 90 y 100, respectivamente. En general, tal como se ha indicado, preferimos usar núcleos faviformes con tamaños celulares del orden de aproximadamente 0,16 cm (1/16 pulgadas) (distinta mínima medida desde la pared celular a la pared celular opuesta en el estado expandido) hasta de 2,54 cm (1 pulgada). Asimismo, tal como se ha indicado previamente, básicamente preferimos definir el núcleo de refuerzo faviforme incorporado o incrustado en términos de su densidad aparente (expandida) que oscila típicamente entre 32,0 kg/m^{3} (2 libras por pie cúbico) hasta 321,0 kg/m^{3} (20 libras por pie cúbico), y que se encuentra influido de forma significativa por los espesores de la pared celular, por la densidad del material a partir del cual se han configurado las células del núcleo, y por las dimensiones transversales de las células del núcleo.
El nuevo material de fricción reforzado de esta invención preferiblemente no contiene fibras, ni continuas ni discontinuas, como refuerzo. Esto puede verse en aquellos casos en los que el refuerzo del núcleo faviforme está hecho de un metal (por ejemplo, aluminio). Incluso en los casos donde el refuerzo del núcleo faviforme está hecho de un material reforzado con fibra de vidrio o reforzado con fibra de carbono como el compuesto fenólico reforzado con fibra de vidrio o bien el compuesto de poliimida reforzado con fibra de carbono, la cantidad de material fibroso en el producto del material de fricción fabricado es pequeña en comparación con un material de fricción convencional reforzado con fibra. Por ejemplo, un material de fricción reforzado con núcleo faviforme que usa la mezcla 2 de la tabla 1 indicada, utilizaba un refuerzo de núcleo faviforme hecho de un 27,6% de fibra de vidrio en peso y de un 72,4% de resina fenólica en peso. Debido a que el núcleo de refuerzo únicamente constaba de un 10,8% en peso del material de fricción completado, el contenido actual de material fibroso del material de fricción reforzado era únicamente del 2,98% en peso. Este nivel de contenido en fibra es bastante inferior al 20% típico de contenido de fibra de los materiales de fricción reforzados con fibra más conocidos.
El material de fricción reforzado fabricado de acuerdo con el método de esta invención se fabrica sin la necesidad de tener que mezclar uniformemente las fibras discontinuas con los constituyentes en polvo de la mezcla (partículas), excepto donde se utilizan pequeñas cantidades de dichas fibras para obtener las características de desgaste o fricción deseadas, y con ello se evita una causa importante de la fluctuación de la calidad en la fabricación. Un procedimiento de mezclado básicamente libre de fibra es un proceso de mezcla mucho más eficaz y da lugar a una consistencia de la calidad muy mejorada.
Es decir, en las pruebas de resistencia al desgaste realizadas hasta la fecha, el nuevo material de fricción reforzado ha mostrado unos valores de desgaste considerablemente inferiores al 0,07%, en comparación con el 0,35% para un material de fricción reforzado con fibra en las mismas condiciones.
En general se entiende que la rigidez de contacto entre el material de fricción y el rotor o tambor influye en la aparición del ruido de frenos. Para eliminar o reducir la propensión al ruido de los frenos, a menudo es necesario ajustar la rigidez del material de fricción a un valor óptimo. Sin embargo, para los materiales de fricción convencionales, esto significa básicamente la reformulación de los materiales y puede dar lugar a otras consecuencias adversas. La invención actual resuelve este problema con éxito incorporando los núcleos faviformes a los materiales de fricción. Una vez se ha formulado una mezcla para una aplicación en particular, la rigidez de la protección puede modificarse ajustando la rigidez del núcleo de refuerzo para evitar el ruido del freno. Las características de fricción de la protección se mantienen casi inalteradas ya que la mezcla curada cubre la mayor parte del área de la superficie de contacto.
Finalmente, en los materiales convencionales de fricción reforzados con fibra, una distribución desigual de las fibras da lugar frecuentemente a un tratamiento de desgaste del tambor de freno o del rotor de freno poco uniforme, manifestado por una superficie fisurada. En comparación, la prueba de Krauss y del dinamómetro de inercia del nuevo material de fricción reforzado de nuestros inventos daba lugar a un desgaste muy suave del rotor del freno.
Otros materiales apropiados, formas de componentes y tamaños de componentes pueden ser utilizados en la práctica de esta invención.
Puesto que se pueden efectuar ciertos cambios en el sistema y aparato descrito que no se alejen del objetivo de las reivindicaciones, se pretende que toda la materia contenida en la descripción o mostrada en los dibujos adjuntos sea interpretada como ilustrativa y no en un sentido limitado.

Claims (21)

1. Un material de fricción reforzado (10) que consta de unas partículas de fricción, partículas de relleno y ligante se caracteriza por un refuerzo de núcleo faviforme (22, 24) que tiene múltiples células contiguas, de extremo abierto, separadas por paredes celulares donde una partícula de fricción curada, una partícula de relleno y una mezcla ligante (20) llenan dichas células de refuerzo de extremos abiertos y se une a dichas paredes celulares.
2. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de una aleación de aluminio.
3. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de una resina fenólica curada reforzada con fibra de vidrio.
4. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de una resina de poliimida curada reforzada con fibra de vidrio.
5. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de una resina de poliimida curada reforzada con fibra de carbono.
6. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de una aleación de hierro.
7. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de un material de aramida.
8. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de material termoplástico.
9. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) consta de material cerámico.
10. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dichas células de extremo abierto del núcleo faviforme (22,24) tienen una forma plana transversal celular seleccionada del grupo formado por formas planas transversales triangulares, cuadradas, rectangulares, trapezoidales, romboides y hexagonales.
11. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) tiene una densidad aparente (expandida) del orden de 32,0 kg/m^{3} (2 libras por pie cúbico) a 321,0 kg/m^{3} (20 libras por pie cúbico).
12. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22,24) tiene una lámina de revestimiento (26) pegada a un extremo de dichas paredes celulares.
13. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dicha mezcla de partículas de fricción y de relleno incluye también fibras discontinuas.
14. La pieza de material de fricción reforzada definida por la reivindicación 13, donde dichas fibras discontinuas tienen longitudes inferiores a un cuarto de la distancia entre las paredes celulares opuestas de dicho núcleo de refuerzo faviforme o del diámetro de las células si son circulares.
15. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dichas paredes celulares opuestas del refuerzo de núcleo faviforme (22,24) se encuentran a una distancia de 0,16 a 2,54 cm (1/16 de pulgada a aproximadamente una pulgada).
16. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, donde dichas paredes celulares del refuerzo de núcleo faviforme (22,24) tienen un diámetro que oscila entre 0,16 a 2,54 cm (1/16 de pulgada a aproximadamente una pulgada).
17. La pieza de material de fricción reforzada (10) definida por la reivindicación 1, que comprende
Un elemento de base (12) que tiene rigidez estructural; y
Un medio de fijación para fijar dicha pieza del material de fricción reforzada (10) a dicho elemento de base (12).
18. Un método para fabricar un molde de material de fricción reforzado, solidificado, que se caracteriza por las etapas siguientes:
Colocar y distribuir uniformemente una primera cantidad medida de mezcla del material de fricción compuesta por partículas de fricción, partículas de relleno y partículas de ligante en una cavidad del molde (32,44) que tiene una forma plana que corresponde a la forma plana de dicho molde del material de fricción;
Colocar un refuerzo de núcleo faviforme (22;24) en dicha cavidad del molde (32;34) con la penetración completa de solamente una parte inferior de dicho refuerzo (22;24) a través de dicha mezcla de material de fricción distribuida uniformemente;
Colocar y distribuir uniformemente una segunda cantidad medida de dicha mezcla de material en dicha cavidad de moldeo (22;24) para llenar completamente la parte superior de dicho refuerzo de núcleo faviforme; y
Comprimir dichas mezclas de material de fricción colocadas y distribuidas uniformemente a una presión isoestática elevada y elevar la temperatura de dicha mezcla de material de fricción colocada y distribuida uniformemente y de dicho refuerzo de núcleo faviforme para formar dicho molde de material de fricción reforzado.
19. El método definido por la reivindicación 18 donde dicho refuerzo de núcleo faviforme (22;24) colocado en dicha cavidad de moldeo (32;44) en una relación de penetración respecto a la mezcla del material de fricción tiene una densidad aparente (expandida) del orden de 32,0 kg/m^{3} (2 libras por pie cúbico) a 321,0 kg/m^{3} (20 libras por pie cúbico).
20. El método definido por la reivindicación 18 donde las paredes celulares opuestas de dicho refuerzo de núcleo faviforme se encuentran a una distancia de 0,16 a 2,54 cm (1/16 pulgadas a una pulgada).
21. El método definido por la reivindicación 18 donde las paredes celulares opuestas de dicho refuerzo de núcleo faviforme tienen un diámetro que oscila de 0,16 a 2,54 cm (1/16 pulgadas a una pulgada).
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