MXPA98001310A - Rotores/tambores de freno y almohadillas de freno - Google Patents

Abstract

Los frenos de vehículos motorizados que emplean almohadillas (16', 16''), rotores (10') y/o estatores (20) que exhibe una resistencia superior a la temperatura y desgaste que las partes de freno actualmente disponibles. Estas almohadillas (16', 16''), rotores (10') y estatores (20) preferiblemente se hacen de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural adaptado para la resistencia de alta temperatura y desgaste a través de la adición de un material resistente a la erosión/inducción de fricción ya sea sobre las superficies de frenado de estas partes, o dispuesto dentro del mismo material compuesto. También se describe un método para moldear integralmente almohadillas de freno (16'') a las superficies de las partes metálicas del freno.

Description

ROTORES/TAMBORES DE FRENO Y ALMOHADILLAS DE FRENO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO TÉCNICO: Esta invención se refiere a frenos utilizados en vehículos pesados tales como aeronaves, camiones, trenes, y más particularmente, a una material compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibra estructural adaptado para el uso de frenos a alta temperatura para todos los componentes de un sistema de freno o como almohadillas de freno, que pueden ser utilizadas en una forma normal como almohadillas de freno. También se refiere a un método para moldear integralmente componentes de freno de material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra y unirlos a las superficies de las partes de freno de metal.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA: Cualquier vehículo que se mueve típicamente está provisto con un sistema de freno, con el cual se puede detener. Entre más ligero sea el peso de detención combinado, menores serán los problemas implicados en el diseño de un sistema de freno, el cuál durará durante un periodo extendido y después será fácil y sin costo reemplazable o renovable. De esta manera, un vehículo tal como una bicicleta puede ser equipado con pequeñas almohadillas de hule que comprimen y sujetan los aros de las ruedas, los cuales finalmente durarán para siempre y los cuáles pueden ser desplazados en pocos minutos con poco gasto. Cuando se llega a la masa de un automóvil, la cual puede contener un número de pasajeros, el desarrollo de calor friccional durante las detenciones se vuelve un problema que tiene que ser considerado. La mayoría de los automóviles actualmente emplean un así llamado freno de disco de calibre sobre por lo menos las ruedas frontales, ya que durante la detención el peso del vehículo se mueve hacia adelante hacia las ruedas frontales debido a la fuerza de la inercia. Los frenos de disco se representan en la Figura 1 tienen una buena energía de detención por varias razones. Un rotor 10 lleva la rueda (no mostradas) sobre la flecha 12. A medida que la rueda gira, el rotor 10 gira en combinación con ella. El rotor 10 está dispuesto entre un par de calibres 14 que tienen almohadillas de freno 16 sobre los mismos. Para detener el automóvil, se utiliza una presión hidráulica para mover los calibres 14 conjuntamente hasta que el rotor 10 es comprimido bajo la presión entre las almohadillas 16. Los calibres 14 se unen al bastidor del automóvil y no pueden girar. Las almohadillas 16 son de un material de alta fricción que resiste el deterioro y el desgaste bajo condiciones de temperatura absolutamente alta. De esta manera, cuando el rotor 10 es comprimido por los calibres 14, se aplica una fuerza de detención altamente fríccional al rotor 10, haciendo que el automóvil se detenga. Ya que las almohadillas 16 son planas y están en contacto con los lados planos del rotor 10, toda el área de las almohadillas 16 se pone en contacto con el rotor 10 para impartir las fuerzas de detención. Esto es en contraste a los así llamados frenos de "tambor", en donde la zapata que lleva la almohadilla es un arco circular, el cuál se supone que coincide y se fija en el interior de un tambor de freno cilindrico. Si existe una desalineación, solo que pequeñas partes de la almohadilla en realidad frotan el tambor. Y, si existe un grupo de fuerza friccional generando un calor friccional, el tambor puede ser torcido por el calor. Con el freno de disco, en contraste, el rotor 10 está en la corriente de aire que pasa por abajo del automóvil , es más grueso, y por lo tanto usualmente es capaz de disipar cualquier desarrollo de calor que se presente y. aun si se presenta un pequeño torcimiento, los calibres usualmente están en un montaje de flotación que puede seguir el efecto de rodadura resultante del rotor. Para evitar adicionalmente cualquier daño a la superficie del rotor 10, la técnica anterior sugiere, como se muestra en la Figura 2, mirar hacia el rotor 10 con un revestimiento de cerámica monolítica 18, el cuál puede o no puede trabajar para su propósito pretendido dentro del ambiente de un automóvil. Definitivamente no puede trabajar para un sistema de freno tal como el dirigido por la presente invención. Cuando se detiene un aeroplano, el sistema de freno es una historia completamente diferente. Particularmente con un así llamado "jumbo" jet que lleva cientos de pasajeros más su equipaje y cargamento además del peso del mismo avión, el diseño de un sistema de freno exitoso es un problema mayor. La técnica anterior está representada en la Figura 3 en una forma simplificada. Existe una pluralidad de rotores 10' que llevan flechas 12, las cuales, a su vez llevan las ruedas (no mostradas) del aeroplano. Los rotores 10' están apilados con una pluralidad de estatores 20 en una pila 22. Ya que solamente se muestran dos rotores 10', esto es por simplicidad, y muchos rotores 10' y estatores 20 pueden estar en la pila 22 de un freno típico de aeroplano. La pila 22 está dispuesta en la masa de una rueda. Los estatores 20 están fijos y no giran mientras que los rotores 10' giran en combinación con las ruedas 10. Para aplicar el freno y detener el aeroplano, se aplica presión hidráulica, la cual ocasiona que la pila 22 sea comprimida conjuntamente comprimiendo así los rotores de rotación 10' entre los estatores fijos 20. Con una aeronave más pequeña, la construcción de freno antes mencionada no es un problema y trabaja bien para su propósito pretendido. Con la llegada de aviones grandes (tanto comerciales como militares), las fuerzas fricciónales y el desarrollo de calor presente rápidamente se volvieron un factor principal. Esto es particularmente verdadero con un despegue abortado, o con un frenado no normal, que puede dar como resultado en la completa destrucción de toda la pila de freno 22. Los frenos de aviones modernos son de tres tipos, todos de acero (rotores y almohadillas) o rotores de acero con almohadillas compresionadas, y rotores y almohadillas de carbón/carbón. Con un sistema de freno todo de acero, tanto los estatores 20 como los rotores 10' se hacen de acero de alta calidad específicamente diseñado para ese propósito. Los frenos de acero/acero desarrollan buenas fuerzas de fricción internas. Esto es necesario con el fin de detener el aeroplano. Si la fricción se remueve, no existe ningún desarrollo de calor, pero, tampoco existe ninguna fuerza de detención creada. Bajo las condiciones de una detención normal, los frenos son aplicados de tal manera que pueden disipar el calor generado antes de que se vuelva un problema. También, el así llamado "freno de jet" creado invirtiendo el empuje de los motores del jet se utiliza para desacelerar el aeroplano de manera que los frenos no tiene que trabajar totalmente. El aeroplano nunca se lleva completamente a una detención a partir de la velocidad de aterrizaje, de manera que los rotores 10' y los estatores 20 están separados en la pila 22 a medida que el calor creado en ellos por las fuerzas fricciónales, se disipa. En un despegue abortado, el aeroplano ha llegado a una alta velocidad en tierra, la cual puede estar cercana a aquella requerida para el despegue En el último momento, la decisión se hace y se aborta, es decir, se cancela el despegue La única cosa disponible para llevar al aeroplano a una completa detención antes de el fin de la trayectoria son sus frenos Para lograr esto, el piloto debe "colocarse" en los frenos, es decir, aplicarlos completamente y mantenerlos así hasta que el avión se detiene El resultado es un desarrollo de calor que no puede ser disipado exitosamente con el tiempo. Los rotores 10' y los estatores 20 literalmente se hacen tan calientes que a medida que el avión se detiene (o tal vez más rápido) se sueldan conjuntamente. Además, el desarrollo de calor viaja hacia la estructura circundante y las ruedas y aún puede hacer que se enciendan. Si los frenos se traban antes de que el avión se detenga, las ruedas de hule se arrastran en lugar de girar desgastando así rápidamente a través de ellas, por lo que se queman, ocasionando que la estructura de soporte se arrastre sobre el suelo y pueda aplastarse. En resumen, puede haber algo que está ocurriendo para requerir la reparación extensa del avión antes de que sea capaz de volar otra vez. Para resolver el problema antes descrito, se desarrollaron frenos de carbono/carbono y se utilizan en la técnica anterior. Los frenos de carbono/carbono tienen un número de problemas, proveen características de baja fricción hasta que se calientan, son porosos, y por lo tanto pueden ser contaminados por anticongelante u otros fluidos, se oxidan a una temperatura similar a aquella analizada durante "el rodaje pesado", generan polvo corrosivo, y son muy costosos y consumidores de tiempo para formarse. Los rotores de carbono 10' y los estatores de carbono 20 son creados a través de un procedimiento de infiltración que es muy costoso y tomó mucho tiempo para lograrse. La pila fría 22 tiene un coeficiente muy bajo de fricción y no detendrá el avión. De esta manera, cuando es la primera rodada del avión, el piloto debe aplicar periódicamente los frenos para ocasionar el desarrollo de suficiente calor, de manera que el aeroplano pueda ser detenido con los frenos cuándo surja la necesidad. Si la necesidad surge antes de que se haya desarrollado una fricción suficiente, el avión no puede ser detenido rápidamente. Ya que el problema de ataque de freno se elimina, la mayor parte de las aerolíneas y los militares actualmente utilizan los frenos de carbono/carbono a pesar de sus desventajas. Los camiones, trenes y aplicaciones de carrera también pueden utilizar un sistema de frenado mejor, proveyendo un peso más ligero y una duración más larga que los materiales de frenado de tecnología actual. Por lo que, es un objeto de esta invención proveer un sistema de freno de tipo de pila resistente al ataque para aeronaves y similares, el cuál tenga un costo bajo y sea fácilmente reparable. Es otro objeto de esta invención proveer un sistema de frenos de tipo de pila resistente al ataque para aeronaves y similares, el cuál tenga un alto coeficiente de fricción aun cuando esté frío. Es un objeto más de esta invención proveer un sistema de frenos de tipo de pila resistente al ataque para aeronaves y similares, que emplea almohadillas de freno las cuales pueden ser reemplazadas sin tener que reemplazar toda la pila de rotores y estatores. Un objeto más de la presente invención es proveer un material de rotor/tambor/almohadilla de freno que sea resistente a la destrucción en cualquier aplicación que implique fuerzas de frenado fricciónales altas y un calor generado extremadamente alto. Es un objeto más de la presente invención proveer un material de rotor de freno que sea resistente a la destrucción en cualquier aplicación que implique fuerzas de frenado altamente fricciónales y calor generado extremadamente alto. Otros objetos y beneficios de esta invención serán evidentes a partir de la descripción que sigue cuándo se lea junto con los dibujos anexos que la acompañan.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los objetos anteriores han sido logrados a través de un método para formar una almohadilla de freno de alta temperatura y resistente al desgaste y a la unión de esta con una parte de freno que comprende los pasos de, formar un rotor/estator o almohadilla de freno de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero encendida: ribetear o unir la almohadilla de freno a una superficie de la parte de freno; y alisar la superficie de frenado de contacto de la almohadilla de freno según sea necesario. El método preferido para hacer rotores y tambores incluye los pasos de, seleccionar la resina de cerámica derivada de polímero de resina de silicio-carboxilo o resina silicato de alúmina; y utilizar un sistema de fibra genérica de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba. Opcionalmente para lograr un material más duro, el método incluye el paso adicional de disponer un material de superficie de contacto sobre las fibras del sistema de fibra genérica evitando así que la resina de cerámica derivada de polímero encendida se adhiera directamente a las fibras. Cuando se emplee, ese paso comprende disponer del material de superficie de contacto como un espesor de pocas mieras de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y/o nitruro de boro. El método también incluye el paso de disponer hasta aproximadamente 60% en volumen de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio, nitruro de boro, o un material equivalente, o cualquier combinación de los mismos, hasta un volumen total de aproximadamente 60%, a través de las fibras del sistema de fibra genérica por lo menos adyacentes a la superficie de frenado de contacto. Diferentes combinaciones permiten el desarrollo de dureza y coeficientes de fricción del material y de esta manera provee una "sensación" variable al usuario. Sin embargo, se prefiere la disposición de un total de aproximadamente 25% en volumen de alúmina y/o mulita. El método puede incluir, si es apropiado a la fisiología del sistema de fibra genérica; el paso se disponer las fibras del sistema de fibra genérica adyacente a la superficie de frenado de contacto paralela a la superficie de frenado de contacto. También es posible incluir la disposición de las fibras del sistema de fibra genérica adyacente a la superficie de frenado de contacto a lo largo de segmentos de arco circular y líneas radiales con respecto a un centro de rotación de un componente de freno para poner en contacto la superficie de frenado de contacto. Como aun alternativa para fijar o unir adhesivamente, si se desarrolla un adhesivo resistente a la temperatura adecuado, la invención también incluye un método para formar una almohadilla de freno de alta temperatura y resistente al desgaste y de unirla a una parte de freno que comprende los pasos de: formar una almohadilla de freno que tiene miembros de unión extendiéndose desde la misma del material compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibras estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material resistente a la erosión/fricción, de producción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero encendida; colocar la almohadilla de freno en un molde para la parte de freno con los miembros de unión extendiéndose hacia una porción del molde que será llenado con el metal que forma la parte de freno; y llenar el molde con metal fundido para formar la parte de freno y capturar los miembros de unión en el mismo. Ese método también incluye los pasos adicionales de remover la parte de freno del molde; maquinar y terminar la parte de freno según sea necesario; y alisar la superficie de frenado de contacto de la almohadilla de freno según sea necesario. Además, existe la opción de fabricar rotores y almohadillas para aplicaciones de freno en escala automotriz a partir del sistema de material compuesto de cerámica derivado de polímero que no requiere ningún refuerzo de metal; la almohadilla de freno que consiste solamente del material de cerámica se comprime entre el calibre de freno y el rotor de freno. El rotor de freno también puede ser un material de cerámica colocado con frenos o con pasadores directamente la masa de la rueda, o el rotor puede hacerse de aceros tradicionales como rotores de tecnología actual o preferiblemente de materiales compuestos de matriz de metal (tales como la aleación ALCAN's F3S20S) para un resistencia adicional al desgaste cuándo está corriendo contra las almohadillas de freno de cerámica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista frontal simplificada que muestra un freno de disco de calibre de la técnica anterior del tipo utilizado en automóviles. La Figura 2 muestra el freno de disco de la técnica anterior de la Figura 1 con revestimiento de cerámica monolítica sobre las caras del rotor según es sugerido por la técnica anterior. La Figura 3 es una vista frontal simplificada que nuestra un freno de aeronave de la técnica anterior. La Figura 4 es un dibujo agrandado y parcialmente cortado de un freno de aeronave de acuerdo con la presente invención en su primera modalidad. La Figura 5 es un dibujo agrandado de un freno de aeronave de acuerdo con la presente invención en su segunda modalidad. Las Figuras 6 y 7 ilustran el método para reforzar los componentes de freno de la Figura 5 de acuerdo con la presente invención. La Figura 8 representa un método para unir permanentemente una almohadilla de freno de FRCMC a un rotor de metal, estator o zapata fundiéndolo en su lugar MEJOR MÉTODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN De acuerdo con un aspecto de la presente invención dirigida específicamente a frenos de aeronaves como se presenta en la Figura 4, las partes de una pila de freno aeronave 22 se hacen de un material de matriz compuesto de cerámica reforzada con fibra estructural (FRCMC) modificada específicamente para uso de frenos. A este respecto, el material de freno de FRCMC de esta invención es semejante a los rotores y estatores que se hacen completamente de un material de almohadilla de freno casi compresionada capaz de resistir el calor y las fuerzas fricciónales del frenado de la nave. Es decir, el material de freno de FRCMC de esta invención comprende un material de cerámica impregnado con fibra, el cuál también incluye elementos de producción de fricción. Dicho material de FRCMC estructural exhibe una alta resistencia a la ruptura y es particularmente aplicable para utilizarse para partes en aplicaciones de alta temperatura. El material de FRCMC emplea cualquier resina de cerámica derivada de polímero comercialmente disponible tal como la resina de silicio-carboxilo (vendida por Allied Signal bajo el nombre comercial de Blackglas) o resina de silicato de alúmina (vendida por Applied Poleramics bajo la designación de producto C02), combinada con un sistema de fibra genérica tal como, pero no limitándose a, alúmina, Nextel 312, Nextel 440. Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba. Para lograr los objetos de la invención, el sistema de fibra primero es revestido a un espesor de 0.1-5.0 mieras con un material de superficie de contacto tal como carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y nitruro de boro, o capas múltiples de uno o más de estos materiales de superficie de contacto. El material de superficie de contacto evita que la resina se adhiera directamente a las fibras del sistema de fibra. De esta manera, cuando la resina ha sido convertida a una cerámica, existe un ligero juego entre la cerámica y las fibras impartiendo las cualidades deseadas al FRCMC final. El método para formar las partes de FRCMC estructurales resistentes a la ruptura generalmente abarca los pasos de revestir las fibras de un sistema de fibra genérica incluyendo una o más de las fibras antes mencionadas con los materiales de superficie de contacto, mezclar las fibras revestidas con una o más de las resinas de polímero de pre-cerámica, formar la resina que contiene las fibras revestidas a una parte deseada, y encender la parte a un temperatura y durante un tiempo que convierta la resina de polímero a una cerámica. Como se describe en la solicitud copendiente intitulada REDUCING WEAR BETWEEN STRUCTURAL FIBER REINFORCED CERAMIC MATRIX COMPOSITE AUTOMOTIVE ENGINE PARTS IN SLIDING CONTACTING RELATIONSHI P, serie número PCT/US96/11771 , presentada en la fecha con la misma, la superficie del material FRCMC estructural puede ser alterada para reducir el desgaste/erosión en tales aplicaciones aplicando un revestimiento resistente a la erosión. Específicamente, se describe que: Las superficies de contacto del componente compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibra estructural que emplea una estera de fibras de tela tejida o no tejida están cubiertas con un revestimiento resistente a la erosión, el cuál se une herméticamente a la superficie de desgaste de las estructuras de FRCMC. Para este propósito, el revestimiento resistente a la erosión preferiblemente comprende mulita (es decir silicato de alúmina AI2Si4), alúmina (es decir AI2O3), o equivalente, aplicado a través de una aspersión de plasma, generalmente de acuerdo con técnicas bien conocidas por aquellos expertos en el campo. El revestimiento resistente a la erosión es aplicado como sigue. Antes de la aplicación del revestimiento resistente a la erosión, se completan todos los agujeros con cualquier otra maquinación. Después del término del procedimiento de maquinación, si es que hay, todos los bordes afilados sobre la superficie de la parte son quitados. Si la parte ha sido maquinada, ésta se coloca en un horno durante un tiempo y temperatura adecuada para asumir el "quemado" de cualquiera de los lubricantes de corte utilizados en el procedimiento de maquinación (típicamente 2 horas a 371.1°C (700°F), pero es dependiente del lubricante). La clave es llegar al revestimiento de resistencia a la erosión para unirse a la estructura de FRCMC. Si la superficie de la estructura FRCMC no está apropiadamente preparada, el revestimiento resistente a la erosión simplemente puede escamarse y no proveer ninguna protección a largo plazo. Si en el aspecto preferido, la superficie de la estructura FRCMC es ligeramente limpiada con chorro de granalla cortante para formar pequeñas turbas dentro de la matriz de cerámica de la estructura FRCMC. También se cree que una ligera limpieza con chorro de granalla cortante expone pelusas o filamentos sobre la fibra expuesta del sistema de fibra genérica, en donde el revestimiento resistente a la erosión puede sujetar y adherirse al mismo. La limpieza con chorro de granalla cortante típica que a probado ser exitosa en de una granalla de 100 @1.406 fg/cm2 ( 20 PSI). De acuerdo con un segundo aspecto posible, la superficie de la estructura FRCMC puede ser provista con una serie de ranuras delgadas, poco profundas, regularmente separadas similares a "rocas" finas de una muesca o perno, en donde el revestimiento resistente a la erosión puede trabarse mecánicamente. Esencialmente, la superficie es clasificada para proveer una superficie rígida en lugar de una superficie lisa. La profundidad, anchura y separación de las ranuras no es crítica y puede ser determinada para cada parte o componente sin experimentación debida. En general, las ranuras deben estar estrechamente separadas con el fin de reducir al mínimo cualesquiera áreas lisas grandes de la superficie, en donde existe un potencial para el revestimiento de resistencia a la erosión para perder su adhesión y escamarse. De esta manera, la sobre ranuración podría ser preferible a la subranuración de la superficie con la excepción de que la sobre ranuración requiere la aplicación de un material de desgaste adicional para proveer una superficie de desgaste lisa después de la molienda final. Las ranuras deben ser poco profundas con el fin de proveer un área de cierre mecánica para el revestimiento resistente a la erosión si reducir la resistencia estructural de la estructura de FRCMC subyasente a ningún grado apreciable. Después de la preparación de la superficie, la parte es limpiada utilizando aire comprimido seco de limpieza y después se carga a un accesorio de soporte apropiado para el procedimiento de aspersión de plasma. Se utilizan sopladores de aire directo para enfriar el lado opuesto de la parte durante la aplicación del revestimiento resistente a la erosión.

El revestimiento resistente a la erosión rociado con plasma después es aplicado utilizando una velocidad de deposición fijada en 5 gramos por minuto o más. La velocidad del accesorio de soporte, la velocidad del movimiento de la pistola de plasma a través de la superficie, y la anchura de aspersión se fijan para obtener un patrón de aspersión de polo cargado con 50% de transíate. La pistola de aspersión se fija con relación a la superficie rociada de 0.254 a 7.62 cm lejos. Los tamaños de partícula utilizados para este procedimiento varían de 170 a 400 mallas. Suficiente material se aplica para permitir la maquinación de acabado. Después de la aplicación del revestimiento resistente a la erosión, la superficie revestida es alisada con un papel diamante o una herramienta de forma apropiada (herramientas de diamante de grado comercial recomendadas) para lograr el contorno de superficie final. Alternativamente, el revestimiento rociado con plasma puede ser aplicado y después la parte con el revestimiento resistente a la erosión unido puede ser además reinfiltrada con la resina de polímero de pre-cerámica y después convertida a un estado de cerámica. El resultado es un endurecimiento adicional del revestimiento incorporando esencialmente el revestimiento al material compuesto de matriz de cerámica combinado o mixto formado a partir de la combinación de FRCMC y un revestimiento contra desgaste monolítico reforzado con matriz de cerámica integralmente unido conjuntamente por la matriz de cerámica común.

También se observa que el revestimiento resistente a la erosión puede ser aplicado a través de una técnica de posición de película delgada de "impresión y encendido", o una técnica de "aspersión en húmedo", según se desee de acuerdo con los procedimientos bien conocidos. A pesar de todo, se puede emplear cualquiera de los procedimientos de revestimiento antes descritos para proveer los elementos de producción de fricción en las partes de freno de la presente invención. El desgaste de la superficie también puede ser reducido sin emplear el sistema de fibra genérica en la forma de una esfera de tela tejida por lo menos adyacente a la superficie; sino que más bien, empleando fibras libres que son sustancialmente paralelas a la superficie. Para un sistema de freno de rotación, parece que la mejor orientación que podría ser para las fibras que yacen a la largo de los segmentos de arco circulares o líneas radiales con respecto al centro rotacional de la parte. Ya que tales materiales de revestimiento probablemente trabajarán para componentes de freno, teniendo la resistencia necesaria y la resistencia al desgaste, se prefiere modificar la composición para incrementar el coeficiente friccional del material y, por lo tanto, su eficiencia de frenado mientras que, al mismo tiempo, mejora su resistencia al desgaste o erosión total en la forma de zapatas de freno compresionadas, en lugar de proveer una resistencia de erosión solamente en la superficie, de manera que se pierde después de que la superficie es desgastada por uso. Hasta este punto, se prefiere que el material resistente a la erosión, de inducción de fricción sea mezclado con la mezcla de resina/fibra antes de la formación y encendido de la parte. Las partículas del material resistente al desgaste también pueden ser dispersadas a través del material después del "encendido" primario o secundario, a través de técnicas convencionales de "SOL-GEL". Esta mezcla puede incluir hasta 60% en volumen de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio, nitruro de boro, o un material equivalente, o cualquier combinación de los mismos hasta un volumen total de aproximadamente 60%, a través de las fibras del sistema de fibra genérica por lo menos adyacentes a la superficie de frenado de contacto. Diferentes combinaciones permiten el desarrollo de dureza y coeficiente de fricción del material y de esta forma provee una "sensación" variable al usuario. Sin embargo, se prefiere disponer un total de aproximadamente 25% del volumen de alúmina y/o mulita. De esta manera, de acuerdo con la modalidad preferida de la presente invención, los pasos para construir una parte de freno tales como los rotores 10' y los estatores 20 de la Figura 4, comprenden mezclar aproximadamente 25% en volumen de alúmina y/o polvo de mulita, o un equivalente, con el sistema de fibra; mezclar el sistema de fibra revestido con polvo con la resina; formar la parte con la mezcla de resina, y encender la parte resultante a una temperatura cerca de 982.2°C según sugerido por el fabricante para convertir la resina a una cerámica. Alternativamente, las fibras pueden ser revestidas primero con el material de superficie de contacto antes descrito antes de añadir la alúmina/polvo de mulita si se desea una estructura final que tenga las cualidades del material de superficie de contacto para la aplicación particular. Ya que tiene cualidades, las almohadillas de freno compresiónadas convencionales y similares no tienen tal resistencia al calor y desgaste/erosión bajo temperaturas extremas, el material de freno de FRCMC antes descrito de esta invención puede hacerse a una almohadilla de freno reemplazable para utilizarse en cualquier sistema de freno que emplea almohadillas de freno. Dicha pila de freno de aeronave 22' está representada en la Figura 5. Los rotores de acero convencionales 10' y los estatores 20 tienen almohadillas de freno 16' de acuerdo con la presente invención cubriendo sus superficies de frenado. De esta manera, en lugar de reemplazar los rotores 10' y los estatores 20 según es requerido con los frenos de la presente de acero/acero y carbono/carbono, los frenos pueden ser "reforrados" en la forma de frenos de automóvil reduciendo así enormemente el tiempo y el costo implicados. Originalmente, las almohadillas de freno de automóviles eran unidas a las zapatas de freno que las llevaban. Más recientemente con la llegada de adhesivos apropiados, se han empleado las así llamadas almohadillas de freno "unidas", en donde las almohadillas se unen con adhesivo a las zapatas. Esto reduce la incidencia de que los remaches "dañen" los tambores de freno o rotores de freno cuándo las almohadillas de freno se desgastan demasiado rápido más allá del punto de reemplazo necesario. Con las almohadillas de freno unidas, las almohadillas deben desgastarse hasta el punto de que la misma zapata se ponga en contacto con el tambor o rotor antes de que ocurra un daño. Desafortunadamente, no existe ningún adhesivo o método de unión comercialmente disponible que pueda unir las almohadillas de freno 16' a los rotores 10' y a los estatores 20 y resistir las temperaturas generadas durante el frenado. De esta manera, se debe emplear un método alternativo para unir las almohadillas 16' a los rotores 10' y estatores 20. Un aspecto representado en las Figuras 6 y 7 y adaptado para "reforrar" los rotores 10' y estatores 20 es simplemente emplear remaches 26. Como se muestra en la Figura 6, la almohadilla antigua 16' primero es removida y desechada. Como se muestra en la Figura 7, la nueva almohadilla 16' después es colocada sobre el rotor 10' y unida en su lugar con remaches 26. Después de la unión, la superficie 28 de la almohadilla 16 puede ser de superficie lisa y paralela, si es necesario. En otro aspecto no pretendido para reforrar sino que para la producción de costos más bajos como se presenta en la Figura 8, las almohadillas 16" están provistas con miembros de sujeción 30 extendiéndose desde su parte trasera. Ya que las almohadillas 16" son capases de resistir temperaturas extremas incluyendo aquella del metal fundido, el rotor 10' (o estator 20) pueden ser fundidos sobre las almohadillas 16". Las almohadillas 16" están colocadas dentro de un molde 34 para que la parte sea colada (rotor 10' o estator 20). El metal fundido 32 después es vaciado hacia el molde 34 y se deja endurecer. La parte terminada después se remueve y se maquina, o de otra manera se termina según sea necesario. Uno también puede fabricar rotores y almohadillas para aplicaciones de freno de escala automotriz a partir del sistema de material compuesto de cerámica derivado de polímero sin requerir ningún refuerzo de metal. La almohadilla de freno consiste solamente del material de cerámica que es comprimido entre el calibre de freno y el rotor de freno. El rotor de freno también puede ser de un material de cerámica unido con pernos o pasadores directamente a la masa de la rueda, o el rotor puede hacerse de aceros tradicionales como los rotores de tecnología actual o preferiblemente materiales compuestos de matriz de metal (tales como la aleación ALCAN's F3S2OS) para la resistencia al desgaste adicional cuando corre contra las almohadillas de freno de cerámica. Y finalmente, el rotor y estator completos pueden hacerse a partir de FRCMC sin la necesidad de ninguna estructura de soporte de metal y eliminando así los problemas asociados con la unión y/o fijación de los materiales de fricción a los miembros estructurales del ensamble de freno.

Claims (59)

REIVINDICACIONES

1. Un freno que comprende: una pluralidad de rotores y estatores que se forman de un material compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material resistente a la erosión/fricción de inducción dispuesto a través de la resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica.

2. El freno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde a) la resina de cerámica derivada de polímero se elige de resina de silicio-carboxilo, resina de silicato de alúmina o un equivalente, y b) el sistema de fibra genérica comprende por lo menos uno de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba

3 El freno de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además: un material de superficie de contacto dispuesto sobre las fibras del sistema de fibra genérica evitando que la resina de cerámica derivada de polímero encendida se adhiera directamente a las fibras.

4 El freno de acuerdo con la reivindicación 3, en donde dicho material de superficie de contacto comprende por lo menos una capa con un espesor de 0.1-5 0 mieras de por lo menos uno de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio o nitruro de boro.

5. El freno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: dicho material de producción resistente a la erosión/fricción comprende por lo menos uno de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio, y nitruro de boro.

6. El freno de acuerdo con la reivindicación 5, en donde: la cantidad total del material de producción resistente a la erosión/fricción se hace de aproximadamente 60% en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibra estructural.

7. El freno de acuerdo con la reivindicación 6, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción es por lo menos uno de alúmina y mulita, comprende un total de aproximadamente 25% en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural.

8. El freno de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: las fibras del sistema de fibra genérica adyacentes a las superficies de contacto son paralelas a las superficies de contacto.

9. El freno de acuerdo con la reivindicación 8, en donde además: las fibras del sistema de fibra genérica adyacentes a las superficies de contacto están dispuestas a lo largo de segmentos de arco circular y líneas radiales con respecto a un centro de rotación de la pila.

10. Un freno que comprende: a) una pluralidad de rotores y estatores formados de metal, y b) una pluralidad de almohadillas de freno dispuestas sobre superficies de frenado adyacentes de dicha pluralidad de rotores y estatores, la pluralidad de almohadillas de freno estando formada de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de una resma de cerámica derivada de polímero encendida

11 El freno de acuerdo con la reivindicación 10, en donde a) dicha resina de cerámica derivada de polímero se selecciona de resina de sihcio-carboxilo, resina de silicato de alúmina o un equivalente, y b) el sistema de fibra genérica comprende por lo menos uno de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510 Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba

12 El freno de acuerdo con la reivindicación 10 que comprende además un material de superficie de contacto dispuesto sobre las fibras del sistema de fibra genérica evitando que la resina de cerámica derivada de polímero esté en su cerámica se adhiera directamente a las fibras

13 El freno de acuerdo con la reivindicación 12 en donde el material de superficie de contacto comprende por lo menos una capa con un grosor de 0.1-5.0 mieras de por lo menos uno de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y nitruro de boro.

14. El freno de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además: un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de las fibras del sistema de fibra genérica.

15. El freno de acuerdo con la reivindicación 14, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción comprende por lo menos uno de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio y nitruro de boro.

16. El freno de acuerdo con la reivindicación 15, en donde: la cantidad total de material de producción resistente a la erosión/fricción es hasta de un 60% aproximadamente, en volumen del material de compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural.

17. El freno de acuerdo con la reivindicación 15, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción es por lo menos uno de alúmina y mulita, y comprende un total de aproximadamente 25% en volumen del material de compuesto de matriz de cerámica reforzado con fibra estructural.

18. El freno de acuerdo con la reivindicación 10, en donde: las fibras del sistema de fibra genérica adyacentes a las superficies de contacto de frenado son paralelas a las superficies de contacto de frenado.

19. El freno de acuerdo con la reivindicación 10, en donde además: las fibras del sistema de fibra genérica adyacentes a las superficies de contacto de frenado están dispuestas a lo largo de segmentos de arco circulares y líneas radiales con respecto a un centro de rotación de la pila.

20. El freno de acuerdo con la reivindicación 10, en donde: dicha pluralidad de almohadillas de freno están mecánicamente sujetadas a las superficies de contacto de frenado adyacentes de la pluralidad de rotores y estatores.

21. El freno de acuerdo con la reivindicación 10, en donde: dicha pluralidad de almohadillas de freno tienen miembros de retención que se extienden desde las mismas y están adyacentes a las superficies de contacto de frenado adyacentes de la pluralidad de rotores y estatores a través de dichos miembros de retención que están dispuestos dentro del metal de la pluralidad de rotores y estatores.

22. Un freno que comprende: a) por lo menos un rotor que comprende un material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural; y b) una pluralidad de almohadillas de freno adyacentes a las superficies de contacto de frenado de por lo menos un rotor, la pluralidad de almohadillas de freno estando formada del material compuesto de matriz de cerámica reforzado de fibra estructural; en donde c) el material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción y está dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero encendida.

23. El freno de acuerdo con la reivindicación 22, en donde: a) la resina de cerámica derivada de polímero se elige de resina de silicio, carboxilo, resina de silicato de alúmina o un equivalente; y b) el sistema de fibra genérica comprende por lo menos uno de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba.

24. El freno de acuerdo con la reivindicación 22, que comprende además: un material de superficie de contacto dispuesto sobre las fibras del sistema de fibra genérica evitando que la resina de cerámica derivada de polímero en su cerámica se adhiera directamente a las fibras.

25. El freno de acuerdo con la reivindicación 24, en donde: el material de superficie de contacto comprende por lo menos una capa con un espesor de 0.1-5.0 mieras de por lo menos uno de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y nitruro de boro.

26. El freno de acuerdo con la reivindicación 22, que comprende además: un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de las fibras del sistema de fibra genérica.

27. El freno de acuerdo con la reivindicación 26, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción comprende por lo menos uno de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio y nitruro de boro.

28. El freno de acuerdo con la reivindicación 27, en donde: la cantidad de material de producción resistente a la erosión/fricción es hasta de un 60%, aproximadamente, en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural.

29. El freno de acuerdo con la reivindicación 27, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción es por lo menos uno de alúmina y mulita, y comprende un total de 25%, aproximadamente, en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural.

30. Una almohadilla de freno resistente a la alta temperatura y desgaste, que comprende: una almohadilla de freno formada de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada de fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica.

31. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, en donde: a) la resina de cerámica derivada de polímero se selecciona de resina de silicio-carboxilo, resina de silicato de alúmina o un equivalente; y b) el sistema de fibra genérica comprende por lo menos uno de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba.

32. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, que comprende además: un material de superficie de contacto dispuesto sobre fibras del sistema de fibra genérica evitando que la resina de cerámica derivada de polímero en su cerámica se adhiera directamente a las fibras.

33. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 32, en donde: el material de superficie de contacto comprende por lo menos una capa con un espesor de 0.1-5.0 mieras de por lo menos uno de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y nitruro de boro.

34. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, que comprende además: un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de las fibras del sistema de fibra genérica.

35. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 34, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción comprende por lo menos uno de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio y nitruro de boro.

36. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 35, en donde: la cantidad total del material de producción resistente a la erosión/fricción es aproximadamente hasta un 60% en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural.

37. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 35, en donde: el material de producción resistente a la erosión/fricción es por lo menos uno de alúmina y mulita, comprende un total de aproximadamente 25% en volumen del material compuesto de matriz de cerámica reforzado de fibra estructural.

38. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, en donde: las fibras del sistema de fibra genérica adyacente a una superficie de contacto de frenado son paralelas a la superficie de contacto de frenado.

39. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, en donde: las fibras del sistema de fibra genérica adyacentes a una superficie de contacto de frenado están dispuestas a lo largo de segmentos de arco circular y líneas radiales con respecto a un centro de rotación de un componente de freno en contacto con la almohadilla de freno.

40. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, en donde: la almohadilla de freno incluye medios para sujetarse mecánicamente a una parte del freno.

41. La almohadilla de freno de acuerdo con la reivindicación 30, en donde: la almohadilla de freno incluye medios de unión extendiéndose desde la misma para unir la almohadilla de freno a una parte del freno fundiendo los medios de unión en el metal que comprende la parte del freno.

42. Un método para formar una almohadilla de freno resistente a la alta temperatura y el desgaste y unirla a una parte del freno que comprende los pasos de: a) formar una almohadilla de freno de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada de fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión, fricción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica; b) fijar la almohadilla de freno a una superficie de la parte del freno; y c) alisar una superficie de contacto de frenado de la almohadilla de freno según sea necesario.

43. Un método para formar una almohadilla de freno resistente a alta temperatura y al desgaste y unirla a una parte del freno, que comprende los pasos de: a) formar una almohadilla de freno que tiene miembros de unión extendiéndose desde la misma de un material compuesto de, matriz de cerámica reforzada de fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica; b) colocar la almohadilla de freno en un molde para la parte del freno con los miembros de unión extendiéndose hacia una porción del molde que será llenada con metal para formar la parte del freno; y c) llenar el molde con el metal para formar la parte del freno y capturar los miembros de unión en el mismo.

44. El método de acuerdo con la reivindicación 43, que comprende además los pasos de: a) remover la parte del freno del molde; b) maquinar y terminar la parte del freno según sea necesario; y c) alisar una superficie de contacto de frenado de la almohadilla de freno según sea necesario.

45. Un método para formar un rotor de freno resistente a la alta temperatura y al desgaste y para unirlo a un parte del freno, que comprende los pasos de: a) formar un rotor de freno de un material compuesto de matriz de cerámica reforzado de fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión, fricción, dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica; b) unir el rotor de freno a una superficie de la parte del freno.

46. Un método para formar un rotor de freno resistente a la alta temperatura y al desgaste y para unirlo a una parte del freno, que comprende los pasos de: a) formar un rotor de freno que tiene miembros de unión extendiéndose desde el mismo de un material compuesto de matriz de cerámica reforzado de fibra estructural que comprende un sistema de fibra genérica y un material de producción resistente a la erosión/fricción dispuesto a través de una resina de cerámica derivada de polímero en su forma de cerámica; b) colocar el rotor de freno en un molde para la parte del freno con los miembros de unión extendiéndose hacia una porción del molde que será llenada de metal que forma la parte del freno; y c) llenar el molde con metal para formar la parte del freno y capturar los miembros de unión en el mismo.

47. El método de acuerdo con la reivindicación 46, que comprende además los pasos de: a) remover la parte del freno del molde; b) maquinar y terminar la parte del freno según sea necesario; y c) alisar la superficie de contacto de frenado del rotor de freno según sea necesario.

48. Un componente de freno que tiene una resistencia mejorada a la erosión de una superficie de desgaste del mismo, que comprende: a) un componente de freno de material compuesto de matriz de cerámica reforzada de fibra estructural; y b) un revestimiento de material resistente a la erosión/de inducción de fricción cubriendo la superficie de desgaste del componente.

49. El componente de freno de acuerdo con la reivindicación 48, en donde el componente de freno de material compuesto de matriz de cerámica reforzada de fibra estructural comprende: a) una resina de cerámica derivada de polímero seleccionada de resina de silicio-carboxilo, resina de silicato de alúmina o un equivalente; y b) un sistema de fibra genérica que comprende por lo menos uno de alúmina, Nextel 312, Nextel 440, Nextel 510, Nextel 550, nitruro de silicio, carburo de silicio, HPZ, grafito, carbono y turba.

50. El componente de freno de acuerdo con la reivindicación 48, que comprende además: un material de superficie de contacto dispuesto sobre las fibras del sistema de fibra genérica evitando que la resina de cerámica derivada de polímero encendida se adhiera directamente a las fibras.

51. El componente de freno de acuerdo con la reivindicación 50, en donde: el material de superficie de contacto comprende por lo menos una capa con un grosor de 0.1-5.0 mieras de por lo menos uno de carbono, nitruro de silicio, carburo de silicio y nitruro de boro.

52. El componente de acuerdo con la reivindicación 48, en donde el material de producción resistente a la erosión/fricción comprende por lo menos uno de alúmina, mulita, sílice, carburo de silicio, titania, nitruro de silicio y nitruro de boro.

53. Un método para formar un componente de freno de material compuesto de matriz de cerámica estructural que tiene una resistencia mejorada a la erosión de una superficie de desgaste del mismo, que comprende los pasos de: a) formar la parte de una resina de polímero de pre-cerámica que tiene fibras de un sistema de fibra genérica gastadas; b) encender la parte a una temperatura y durante un tiempo que convierta la resina a una cerámica; y c) revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión.

54 El método de acuerdo con la reivindicación 53 en donde el paso de revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión comprende rociar con plasma la superficie de desgaste con el material resistente a la erosión.

55 El método de acuerdo con la reivindicación 53, en donde el paso de revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión comprende emplear una técnica de deposición de película delgada de "imprimir y encender" para producir el material resistente a la erosión sobre la superficie de desgaste

56 El método de acuerdo con la reivindicación 53, en donde el paso de revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión comprende emplear una técnica de "aspersión en húmedo" para producir un material resistente a la erosión sobre la superficie de desgaste.

57. El método de acuerdo con la reivindicación 53, en donde el paso de revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión comprende: a) cubrir el material resistente a la erosión con una resina de polímero de pre-cerámica; y b) encender la resina para formar la cerámica.

58. El método de acuerdo con la reivindicación 53, en donde el paso de revestir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión es precedido por el paso de: ranurar regularmente la superficie de desgaste con una pluralidad de ranuras delgadas, poco profundas, de espacios cerrados.

59. El método de acuerdo con la reivindicación 53, en donde el paso de revertir la superficie de desgaste con un material resistente a la erosión está precedido por el paso de: limpiar con chorros de granalla cortante la superficie de desgaste para crear turbas y exponer sus filamentos de fibra subyacente. RE$UMEN Los frenos de vehículos motorizados que emplean almohadillas (16', 16"), rotores (10') y/o estatores de (20) que exhibe una resistencia superior a la temperatura y desgaste que las partes de' freno actualmente disponibles. Estas almohadillas (16', 16"), rotores (10') y estatores (20) preferiblemente se hacen de un material compuesto de matriz de cerámica reforzada con fibra estructural adaptado para la resistencia de alta temperatura y desgaste a través de la adición de un material resistente a la erosión/inducción de fricción ya sea sobre las superficies de frenado de estas partes, o dispuesto dentro del mismo material compuesto. También se describe un método para moldear integralmente almohadillas de freno (16") a las superficies de las partes metálicas del freno.