Диссертация (Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов), страница 4

Общая продолжительность единичного цикла испытаний составила 810секунд. Результаты замера температуры и коэффициента трения представлены на рисунке9.Рисунок 9 - График изменения температуры и коэффициента трения в зависимостиот времени при циклическом нагружении для разных конструкций тормозного дискаКак видно из полученных данных при проведении циклического нагружения вслучае монолитного стального тормозного диска можно наблюдать резкое повышениетемпературы за первый цикл торможения до 190 ºС.

Последующие этапы нагревахарактеризуются примерно одинаковой температурой нагрева с плавным повышением до18220 ºС. Добавление слоя меди толщиной 1 мм при толщине стальной пластины в 1 ммпозволяет значительно снизить температуру нагрева при первых трех минутахторможения со 190 ºС до 140 ºС (на 26 %). При последующих этапах нагрева эффект отналичия медной пластины постепенно снижается.

Увеличение толщины медной вставкидо 2 мм позволяет снизить температуру нагрева в первый период до 120 ºС. Последующиепериоды также дают больший теплоотводящий эффект по сравнению с тем случаем, когдатолщина меди составляла 1 мм. И в том и другом случае наблюдается снижение влияниямедной вставки по мере увеличения продолжительности торможения. Наибольшийэффект наблюдается в начальных этапах. Чугунный вентилируемый диск даетнаибольший нагрев при многоцикловом торможении.

В результате четырех цикловторможения максимальная температура составила около 300 0С, что превышает все ранеерассмотренные варианты. Увеличение толщины стальной пластины до 2 мм при наличиимедной вставки толщиной 1 мм не дает практически никакого эффекта по сравнению смонолитным стальным диском.Коэффициент трения тормозных дисков изменяется в широких пределах начинаяот 0,23 до 0,6.

Максимальное значение коэффициента трения составляет около 0,6 вслучае стального тормозного диска, и около 0,55 в случае добавления медных вставок.Таким образом, добавление теплоотводящих медных вставок при циклическом нагружении способствует значительному снижению температуры разогрева контактной поверхности. В свою очередь снижение температуры нагрева способствует некоторойстабилизации коэффициента трения.

Во всех вариантах конструктивного исполненияэффект от предварительного нагрева в диапазоне от 70 ºС до 130 ºС сказывается слабо,вызывая прирост средней температуры на цикле торможения на 30-50 ºС.Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ТОРМОЗНОГО УСТРОЙСТВАС БИМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМДанная глава посвящена стендовым экспериментальным исследованиям температуры нагрева тормозного устройства.Первый параграф данной главы посвящен обзору основных конструктивнотехнологических приемов снижения температуры разогрева тормозных устройств.

Рассмотрены их преимущества и недостатки. Описаны основные конструкции тормозныхдисков, используемых в настоящее время.Разработана конструкция тормозного устройства, представляющая собой дисковыйтормозной механизм, тормозной диск которого выполнен в виде биметаллической конструкции. Он содержит: несущую основу 1, изготовленную из конструкционной стали; теплоотводящую вставку 2, выполненную из материала с более высокой теплопроводностью, чем материал износостойкой контактной пластины 3. Сборка теплоотводящейвставки и контактной пластины с несущей основой тормозного диска осуществляется с19помощью механического крепления или путем послойного нанесения покрытий.

Наличие теплоотводящей вставки обеспечивает усиление теплоотвода из зоны контакта поверхности диска с фрикционной накладкой 5 на тормозной колодке 4. На данную конструкцию был получен патент на полезную модель «Дисковый тормозной механизм» (рисунок 10).Рисунок 10 - Дисковый тормозной механизмВторой параграф данной главы посвящен методике стендовых испытаний по определению температуры нагрева поверхностного слоя тормозного диска. Для достиженияпоставленной цели была разработана экспериментальная стендовая установка, котораяпредставляет собой реальный тормозной узел автомобиля ВАЗ 2107. Стендовая установкасостоит из чугунного тормозного диска автомобиля ВАЗ 2107, скорость вращения которого составляла 969 об/мин, что соответствует линейной скорости движения автомобиля в28 м/с (100 км/ч). На тормозной диск с обоих сторон с усилием 0,1 МПа прижимаются двестандартные фрикционные накладки автомобиля ВАЗ 2107. Температура разогрева поверхности тормозных дисков измерялась бесконтактным методом с помощью инфракрасного термометра (пирометра).

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 11.Рисунок 11 - Схема установки для стендовых испытаний20Испытания проходили в два этапа. На первом этапе измерялась температура нагрева тормозных дисков при непрерывном торможении, на втором этапе измерялась температура нагрева тормозных дисков при циклическом торможении. Время торможения припервом этапе испытаний составляла 5 минут. При циклических испытаниях время каждого единичного цикла торможения составляла 2 минуты, количество циклов – 4, перерывмежду циклами 30 секунд.Третий параграф посвящен анализу экспериментальных данных по определениютемпературы нагрева поверхности тормозных дисков с разными значениями теплофизических характеристик.

В качестве образца сравнения использовался чугунный тормознойдиск автомобиля ВАЗ 2107. Исследуемые тормозные диски представляли собой биметаллические конструкции, изготовленные методом электродуговой металлизации: на двухповерхностях тормозного диска протачивался по периметру паз шириной 50 мм на глубину 3 мм, после чего напылялся слой медного сплава толщиной 2 мм, на которую в своюочередь напылялся стальной слой толщиной 1 мм. На рисунке 12 представлены графикиизменения температуры нагрева биметаллического и чугунного тормозного диска при непрерывном и циклическом торможениях.Анализ проведенных натурных испытаний показал, что температура нагрева биметаллической поверхности при торможении на 15-20% ниже аналогичного показателя умонолитного тормозного диска. При этом с повышением начальной температуры поверхности эффект теплоотвода у биметаллического диска усиливается.Рисунок 12 - Температура нагрева биметаллического и монолитного тормозныхдисков при непрерывном и циклическом торможениях21ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВыявлены факторы, влияющие на соотношение тепловой и механической составляющих энергетического баланса при трении без смазочного материала.

Определяющимипараметрами являются удельная нагрузка на контакте и механические свойства контактирующих поверхностей. С увеличением удельной нагрузки наблюдается рост доли механической составляющей с соответствующим снижением доли выделяющейся теплоты.

Использование для контактирующих поверхностей тормозных устройств материалов сменьшей разницей в прочностных свойствах может существенно снизить долю механической составляющей в энергетическом балансе при трении, уменьшая за счет этого износменее прочного контртелаРазработана расчетная модель изнашивания фрикционной колодки, которая учитывает силовые и геометрические параметры тормозного устройства. Из силовых факторовнаибольшее влияние оказывает прижимная нагрузка, вклад которой в объем энергии идущей на разрушение фрикционной накладки характеризуется квадратичной зависимостью.Геометрическими факторами, снижающими износ фрикционной накладки тормозногоустройства являются: площадь контакта фрикционной накладки с поверхностью тормозного диска, шероховатость поверхности тормозного диска и длина фрикционной накладки.Показано, что увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока наработки на отказ, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает времяее работы,Экспериментально показана возможность снижения величины износа и увеличениясрока наработки на отказ фрикционной накладки за счет регулирования ее геометрических параметров.Разработана принципиально новая конструкция тормозного диска, основанная наприменении биметаллических материалов с целью увеличения теплопроводности.

Напредложенную конструкцию был получен патент на полезную модель.Экспериментально показано, что применение биметаллических тормозных дисковпозволяет значительно снизить температуру нагрева поверхностных слоев при непрерывном и циклическом торможениях. По сравнению со стальным тормозным диском применение прослойки меди толщиной 2 мм под сталью толщиной 1 мм позволяет снизить температуру на 50%.Экспериментально показано, что использование теплоотводящих вставок способствует стабилизации коэффициента трения.Проведены натурные испытания биметаллических тормозных дисков на основетормозных дисков автомобиля ВАЗ 2107 изготовленных методом электродуговой металлизации, которые показали, что температура нагрева биметаллической поверхности приторможении на 15-20% ниже аналогичного показателя у монолитного тормозного диска.22По теме диссертации опубликованы следующие работы:Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основныхрезультатов кандидатских исследований:1.

Елагина О.Ю., Коновалов А.В., Томский К.О. Повышение износостойкоститормозных устройств / Управление качеством в нефтегазовом комплексе. – М.:Нефть игаз, 2008, №1. – С. 38 – 42.2. Елагина О.Ю., Коновалов А.В., Томский К.О. Использование биметаллическихповерхностей для снижения температуры на поверхности трения / Трение и смазка в машинах и механизмах. – М.: Машиностроение, 2009, №12. – С.

30 – 34.3. Томский К.О. Повышение эффективности работы тормозных устройств / ТрудыРоссийского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина. – М.: РГУнефти и газа, 2010, № 2. – С.86 – 94.4. Елагина О.Ю., Томский К.О. Разработка подхода к использованию биметаллических поверхностей в узлах трения без смазки / Труды Российского государственногоуниверситета нефти и газа им. И.М.Губкина. – М.: РГУ нефти и газа, 2011, № 3. – С.48 –60.Публикации в других научно-технических изданиях:5.

Елагина О.Ю., Коновалов А.В., Томский К.О. Дисковый тормозной механизм /Патент РФ на полезную модель № 77924 от 10.11.2008.6. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник тезисов и докладов 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ – 2008». Секция«Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса».

– М.: РГУ нефти и газа,2008. С. 12.7. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник тезисов III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческаянаука». – М.: Московский студенческий центр, 2008. – С. 42.8. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборниктрудов студенческого научного общества за 2008 год. – М.: РГУ нефти и газа, 2009. – С.43 – 50.9. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборниктрудов III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческаянаука». – М.: Московский студенческий центр, 2009.