Диссертация (Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов), страница 3

Их вклад вувеличение срока наработки на отказ фрикционной накладки можно оценить по величинебезразмерного коэффициента n, характеризующего изменение каждого из перечисленныхвыше геометрических параметров:(n( F )* F0 ) 2  S  (n( H )* H 0 )n(t)*t0 0, 6 104  I w  (n( R)* R0 )  v  N 211изменение геометрического параметраn(R), n(F), n(H)2,202,001,80площадь контактафрикционной накладки (F)1,601,40длина фрикционнойнакладки (H)1,201,00шероховатостьповерхности тормозногодиска (R)0,800,600,400,200,0011,21,41,61,82увеличение срока наработки до отказафрикционной накладки n(t)Рисунок 2 - Изменение геометрических параметров тормозного устройства, обеспечивающих заданное увеличение срока наработки до отказаНа основе разработанной модели изнашивания фрикционной колодки тормозногоустройства можно отметить, что увеличение срока ее наработки до отказа зависит от площади контакта фрикционной накладки с поверхностью тормозного диска, ее длины и шероховатости поверхности тормозного диска.

Увеличение площади фрикционной накладкиспособствует квадратичному увеличению срока наработки до отказа, а увеличение длиныфрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорциональноувеличивает время ее работы.Пятый параграф посвящен экспериментальным исследованиям влияния геометрических параметров фрикционной накладки на ее износостойкость. Для исследованиябыли выбраны образцы, изготовленные из фрикционного материала, применяемого длястандартной тормозной колодки автомобиля ВАЗ, с различным соотношением ширины(В) и длины (Н) рабочей части с сохранением площади на одинаковом уровне.

В качествеответной детали использовалась стальная пластина. Испытания проводились на машинедля возвратно поступательного трения. Образец закреплялся в штоке установки и прижимался к металлической поверхности под фиксированной нагрузкой. Время испытаний составляло 300 секунд. Замерялся вес образца до и после испытаний. Экспериментальныеданные показали, что увеличение длины образца (Н) за счет уменьшения его ширины (В)в диапазоне отношения B/H с 2,0 до 0,5 единиц приводит к постепенному снижению весового износа, что эквивалентно пропорциональному снижению величины механическойсоставляющей энергетического баланса (рисунок 3).12Рисунок 3 - Средняя величина износа в зависимости от отношения ширины образцак его длинеГлава 3.

РАЗРАБОТКА ПОДХОДА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ БЕЗ СМАЗКИДанная глава посвящена экспериментальному исследованию температуры нагреваи коэффициента трения в тормозных устройствах. В проведенных расчетных и экспериментальных исследованиях изучался подход, основанный на повышении теплопроводности тормозного диска за счет применения биметаллических материалов, что позволилоснизить разогрев поверхностного слоя при сохранении на требуемом уровне коэффициента трения и эксплуатационных характеристик поверхности трения (давления на контакте искорости относительного перемещения).В первом параграфе главы для оценки эффективности предложенного подходабыла разработана методика расчета распределения температур в биметаллическом поверхностном слое.

Одной из основных особенностей тормозных устройств является значительная разница в теплофизических свойствах между контактирующими поверхностями. В результате, тепловой поток, формирующийся в зоне контакта «фрикционная колодка – контртело», поглощается преимущественно объемом металлической детали и направлен вглубь детали.При расчете процессов распределения теплоты в объеме детали ее схематичноможно рассматривать как полубесконечное тело с одной ограничивающей плоскостью,соответствующей поверхности контакта. При равномерном распределении нагрузки поповерхности контакта мощность теплового потока принята одинаковой на всей поверхности трения. Тепловое поле от такого равномерно распределенного источника нагревапредставляет собой набор изотерм, параллельных поверхности контакта, температура которых снижается по мере удаления от поверхности вглубь детали.13Процесс передачи тепловой энергии в биметаллической поверхности несколькоменяет распределение тепловых полей при трении.

В этом случае процесс теплопередачибыл разбит на ряд этапов. Из-за разницы в теплофизических свойствах стальной пластиныи теплоотводящей вставки на границе их контакта температурное поле изменяется скачкообразно. В результате температура нагрева двух контактирующих поверхностей различна, что обеспечивает формирование дополнительного теплового потока, направленного вглубь детали. Этот дополнительный тепловой поток можно представить, как фиктивный плоский источник теплоты, действующий в зазоре между стальной пластиной и теплоотводящей вставкой и обеспечивающий выравнивание температур между контактирующими поверхностями стальной пластины и теплоотводящей вставки.С учетом предложенной методики был проведен сопоставительный расчет изменения температур по сечению монолитного и биметаллического материалов.

Расчетный анализ температурных полей, возникающих в поверхностном слое тормозного диска, показал,что применение биметаллической конструкции позволит снизить температуру разогреваконтактной поверхности на 40-45% от уровня нагрева для монолитного диска, а скоростьприроста температуры – на 30-40 %.Во втором параграфе описана методика проведения экспериментальных исследований по определению температуры нагрева поверхностного слоя и измерения коэффициента трения. Целью экспериментальных исследований было определения температуры разогрева поверхностей разной конструкции, работающих в условиях трения без смазочногоматериала, и изучение влияния этого параметра на изменение значения коэффициентатрения.

Для достижения поставленной цели была разработана экспериментальная установка, которая моделирует условия работы дискового тормозного устройства. Ее схемапредставлена на рисунке 4.Рисунок 4 - Схема экспериментальной установкиНа вращающийся металлический диск (монолитный стальной и биметаллический)диаметром 260 мм под нормально направленной нагрузкой прижимается образец, выполненный из фрикционного материала и имитирующий работу тормозной колодки. Частота14вращения металлического диска составляла 1500 об/мин, а линейная скорость перемещения образца 15 м/с.

Удельная нагрузка на образец составляла 0,55 МПа. На глубине 0,5 ммот поверхности стальной пластины по оси движения образца была закреплена хромельалюмелевая термопара. Замер силы трения осуществляется с помощью тензометрическихдатчиков. Время одного цикла испытаний составляло 300 с. Экспериментальные данныерегистрируются с помощью двухканального осциллографа.Схематичное представление конструкции экспериментального металлического образца представлено на рисунке 5.Рисунок 5 - Экспериментальный диск с биметаллическим поверхностным слоемИспытания проходили в два этапа. На первом этапе рост температуры нагрева иизменение коэффициента трения оценивались при непрерывном нагружении образца, а навтором исследовалась роль предварительной температуры нагрева металлического диска.Перед и после проведения каждого цикла испытаний образец взвешивался на электронных лабораторных весах.

По результатам записи экспериментальных данных строились графики изменения температуры нагрева металлического диска и коэффициента трения в зависимости от времени испытаний.Третий параграф посвящен анализу данных, полученных в результате экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились при шестиразных соотношениях толщин теплоотводящих вставок и стальной поверхности: монолитный стальной (контрольный) образец; стальная пластина 1 мм + 1 мм теплоотводящаямедная вставка; стальная пластина 1 мм + 2 мм теплоотводящая вставка; стальная пластина 1 мм + 3 мм теплоотводящая вставка; стальная пластина 2 мм + 1 мм теплоотводящаявставка; стальная пластина 2 мм + 3 мм теплоотводящая вставка.На рисунке 6 представлены графики изменения температуры нагрева для разныхтипов металлического диска в зависимости от времени испытаний.151 – сталь; 2 – сталь 2 мм + медь 1 мм; 3 – сталь 2 мм + медь 3 мм; 4 – сталь 1 мм +медь 1 мм; 5 – сталь 1 мм + медь 2 мм; 6 – сталь 1 мм + медь 3 ммРисунок 6 - Графики изменения температуры нагрева поверхностного слоя дисковразличных конструкций в зависимости от времени тренияКак видно из рисунка в процессе торможения максимальная температура стальногометаллического диска за 300 секунд достигает примерно 220 °С.

Использование меднойвставки толщиной 1 мм, расположенной под стальной пластиной толщиной 2 мм показывает уменьшение максимальной температуры нагрева тормозного диска до 200 °С посравнению со случаем монолитной стальной. Сокращение толщины стальной пластины до1 мм обеспечивает существенное снижение температуры нагрева металлического диска.За один цикл испытаний максимальная температура нагрева достигает 140 °С, что на 36 %меньше, чем при стальном диске без медной вставки.

Использование медной вставки толщиной 2 мм при толщине медной пластины 1 мм приводит к дополнительному снижениюмаксимальной температуры нагрева поверхности диска, которая за 300 секунд достигает110 °С. Это значение на 30 °С меньше случая с медной вставкой толщиной в 1 мм, и на110 °С меньше случая монолитного стального тормозного диска. Увеличение толщинымедной вставки до 3 мм приводит к незначительному снижению температуры нагрева ипрактически не отличается от случая, когда толщина медной вставки составляла 2 ммТаким образом, добавление в конструкцию тормозного диска слоя меди толщиной2 мм позволяет снизить температуру нагрева до 50% по сравнению с монолитным стальным тормозным диском.Для сравнения эффективности применения биметаллических поверхностей посравнению с используемыми в автотранспорте вентилируемыми тормозными дисками былпроведен замер температур в поверхностном слое литого чугунного тормозного диска автомобиля ВАЗ 2110, производитель ОАО «АвтоВАЗ».

Результаты замеров, представленные на рисунке 7, показывают, что максимальная температура нагрева за 300 секунд со16ставила 260 0С, что на 40 0С выше, чем у монолитного стального диска и на 120 0С и 1500С больше биметаллических дисков с разной толщиной медной вставки.Рисунок 7 - Изменение температуры нагрева и коэффициента трения в зависимостиот времени для вентилируемого тормозного дискаТаким образом, отток теплоты в биметаллическую поверхность тормозного дисказначительно выше, чем в вентилируемый чугунный и монолитный стальной, что подтверждает целесообразность разработки выбранного подхода.Анализ данных об изменении коэффициента трения в процессе трения показываетсущественный рост этого показателя по мере увеличения температуры разогрева контактной поверхности металлического диска.

Использование теплоотводящих вставок способствует стабилизации коэффициента трения, рост которого за один цикл испытаний безмедной ставки составляет 117%, в то время как с медной ставкой всего 60%, что практически в 2 раза меньше (рисунок 8).1 – сталь; 2 – сталь 2 мм + медь 1 мм; 3 – сталь 2 мм + медь 3 мм; 4 – сталь 1 мм +медь 1 мм; 5 – сталь 1 мм + медь 2 мм; 6 – сталь 1 мм + медь 3 мм.Рисунок 8 - Графики изменения коэффициента трения различных тормозных дисков в зависимости от времени торможения17Кроме того, следует отметить, что при использовании монолитной стальной поверхности разброса значений коэффициента трения достигает до ±0,2, в то время как набиметаллической - в том же интервале температур уменьшается до ±0,1- 0,15 единиц.Экспериментальные исследования многоциклового нагружения поверхности тормозного диска проводились в следующем режиме «газ – тормоз» с интервалом торможения 180 секунд.