Процес тертя та зносу в парі Гальмівний диск - колодка
Обезуглерожування, диспергування перліту та графіту, мікрорізання, окислення, намазування.
Проведено випробування на тертя та зношування зразків з чавуну Gh190, що використовується для виготовлення гальмівних дисків автомобілів ВАЗ, з шістьма видами фрикційного матеріалу гальмівних колодок, що застосовуються для різних марок легкових автомобілів. Оцінено механічні характеристики фрикційних матеріалів та їх вплив на зміну мікрогеометрії та формування вторинних структур у матеріалі гальмівного диска під час випробувань.
Для виготовлення гальмівних дисків у ВАТ «АВТОВАЗ» використовують сірий перлітний чавун Gh190 (лиття ВАТ «АЛНАС»), що відповідає за механічними властивостями та мікроструктурою марки СЧ25 (за ГОСТ 1412-85). Особливості чавуну Gh190 та його орієнтовний хімічний склад наведені у таблицях 1, 2.
Таблиця 1. Структурні та механічні характеристики виливків із сірого чавуну Gh190.
Таблиця 2. Хімічний склад чавуну Gh190.
Фрикційний матеріал гальмівної колодки є композитом, що складається з фракцій різного ступеня дисперсності та хімічного складу (латунна або мідна стружка, сталева вата та ін.), пов'язаних органічним наповнювачем – фенолформальдегідною смолою.
Для дослідження впливу фрикційного матеріалу на характеристики гальмівного диска було проведено випробування гальмівних дисків із шістьма видами матеріалу гальмівних колодок (1–6), хімічний склад яких представлений у табл. 3.
Таблиця 3. Хімічний склад матеріалів фрикційних накладок гальмівних колодок.
Було проведено лабораторні та стендові натурні випробування пари тертя «гальмівний диск – колодка».
Триботехнічні випробування зразків із матеріалівдосліджуваної пари тертя проводили на універсальній машині для випробувань на тертя та зношування за схемою «ролик - пластина». З матеріалів гальмівних колодок було виготовлено зразки як пластин, та якщо з чавунів - зразки як роликів. Режим випробувань: нормальне навантаження – 36 Н, лінійна швидкість – 6,23 м/с, час проведення одного випробування – 10 хвилин. Зношування чавунних зразків визначався ваговим способом (середня величина зносу визначалася при довірчій ймовірності 80%).
Натурні випробування проводилися на інерційному динамометричному стенді, розробленому та виготовленому у ВАТ «АВТОВАЗ» спільно з фірмою «FIAT».
Стенд забезпечує задані режими роботи гальмівного вузла та має контрольно-вимірювальне обладнання, що дозволяє контролювати та реєструвати наступні параметри:
- температуру в діапазоні від 0 до 600 °З похибкою ±10 °С;
- тиск рідини в гальмівному циліндрі в діапазоні від 0 до 9,81 МПа (від 0 до 100 кгс/см2) з похибкою ±1,6%;
- гальмівний момент у діапазоні від 0 до 1472 Нм (від 0 до 150 кгсм) з похибкою ±1,5 %;
- Частоту обертання інерційного валу стенду в діапазоні від 0 до 30 с -1 (від 0 до 1800 хв -1) з похибкою ±1,5%;
- час між гальмуваннями в діапазоні від 0 до 60 з похибкою ±1,5 %.
У цій роботі стендові натурні випробування пари тертя «гальмівний диск - колодка» проводилися за такими режимами:
- момент інерції J=4,18 кгм 2 ;
- кількість гальмування при кожній початковій температурі нагрівання гальмівного диска: N=200;
- Початкові температури нагрівання гальмівного диска перед гальмуванням: 100°С, 150°С, 200°С, 250°С, 300°С та 350°С;
- момент тертя: Мт = 38 кг;
- Початкова швидкість гальмування: Vпоч=100 км/год;
- Кінцева швидкість гальмування: Vкон = 60 км / год.
За результатами випробувань оцінювали:
1. Максимальне значення коефіцієнта тертя пари та її зниження до мінімального за підвищення температури випробувань (табл. 4).
2. Сумарне лінійне зношування фрикційного матеріалу накладки гальмівної колодки за серію випробувань, мм (табл. 5).
3.Лінійне зношування робочих поверхонь гальмівного диска при заданій температурі за певну кількість гальмування, мм (табл. 6).
4. Вагове зношування зразків з чавуну Gh190 після лабораторних випробувань, мг (табл. 7).
5. Максимальне значення биття гальмівного диска та його зниження до мінімального після приробітку та серії гальмування, мм (табл. 8).
6. Приріст різнотовщинності гальмівного диска після приробітку та серії гальмування, мм (табл. 9).
7. Максимальна шорсткість поверхні гальмівного диска після випробувань: Ramax (табл. 10).
8. Твердість фрикційних матеріалів 187,5/10/30 (при довірчій ймовірності 90%) (табл. 11).
9. Межа міцності на стиск фрикційних матеріалів, МПа (при довірчій ймовірності 80%) (табл. 12).
10. Модуль пружності (Юнга) фрикційних матеріалів, МПа (при довірчій ймовірності 80%) (табл. 13).
При аналізі поверхонь тертя виявлено, що при роботі гальмівного диска в парі з фрикційними матеріалами 1, 5 і 6 превалюючим типом зношування деталей є мікрорізання, а в парі з фрикційними матеріалами 2, 3 і 4 - інтенсивність мікрорізання знижується за рахунок наволікання сполучного на поверхні тертя гальмівний диск.
Аналіз поверхонь тертя гальмівних дисків після стендових випробувань за допомогою електронного скануючого мікроскопа та мікрорентгеноспектрального аналізу показав відмінності в механізмах тертя.для різноманітних матеріалів колодок. Має місце 2 механізми - наволакивание і механохімічний знос, який, своєю чергою, включає окислення і микрорезание. Аналіз розподілу елементів на поверхнях тертя гальмівних дисків показав, що в залежності від кількості та дисперсності композитних складових матеріалу накладки ефект перенесення може проявлятися по-різному. Найбільш стабільний і рівний процес перенесення алюмінію та міді спостерігається при випробуваннях з матеріалом Фрітекс. Тут, мабуть, має місце динамічна рівновага між наволакуванням та механохімічним зносом. При випробуваннях з матеріалом ТІІР 240 процес перенесення елементів відбувається локально та нерівномірно. При цьому переважає механохімічне зношування. Внаслідок роботи фрикційного матеріалу МарКон у парі з гальмівним диском відзначається найменше лінійне зношування за серію випробувань у температурному діапазоні 100…350°С. Це обумовлено намазуванням полімерного сполучного фрикційного матеріалу робочу поверхню диска при зниженні коефіцієнта тертя.
На всіх поверхнях тертя спостерігаються локальні ділянки скупчення вуглецю. Загалом - це осередки графітних включень у чавуні. Однак на поверхні диска після випробувань з матеріалом ТІІР 109-08-8 ці ділянки перевищують розмір колоній графітних включень. Очевидно, це вуглець розкладання полімерного сполучного матеріалу колодки. Супутній процес при роботі з усіма фрикційними матеріалами - інтенсивне окиснення поверхні, яке більш виражене у фрикційних матеріалів Маркон і ТІІР 109-08-8.