Изучение влияния технологических факторов при изготовлении тормозного диска на появление вибрации рулевого колеса при торможении

Низкочастотные вибрации при торможении
Источники возбуждения	Система передачи	Проявления
1. Колёсные тормоза: колебания тормозного момента и давления в гидросистеме. 2. Спектр дороги. 3. Дисбаланс вращающихся компонентов: колесо, колёсная ступица, тормозной диск. 4. Конструкции колёсных подшипников и зазор в них. 5. Шины: дисбаланс и силовая неоднородность.	1. Тормозная система. 2. Рулевое управление. 3. Подвеска колёс.	1. Пульсация на педали тормоза. 2. Вибрация колёс. 3. Вибрация на рулевом колесе. 4. Вибрация на кузове. 5. Вибрация сидений. 6. Низкочастотные шумы. 7. Возможные ошибочные действия водителя.

При этом указывается, что, в первую очередь, источником возбуждения вибрации при торможении являются тормоза, поскольку влияние дороги, дисбаланс вращающихся масс, дисбаланс шин и их силовая неоднородность вызывают вибрацию также при свободном движении без торможения.

В свою очередь, факторы, оказывающие влияние на колебание гидравлического давления и тормозного момента во время торможения, выглядят следующим образом:

Факторы, влияющие на колебание гидравлического давления и тормозного момента во время торможения
Тормозной диск	Тормозная колодка	Тормозная скоба	Условия при торможении
1. Разнотолщинность. 2. Осевое биение: - геометрические параметры ступицы; - люфт ступичного подшипника; - условия затяжки ступицы и ступичного подшипника. 3. Коэффициент трения. 4. Процессы в зоне трения.	1. Сжимаемость. 2. Демпфирование. 3. Коэффициент трения. 4. Наволакивание фрикционного материала.	1. Жёсткость. 2. Направляющий аппарат. 3. Условия присоединения.	1. Преобразования энергии. 2. Эффективность торможения.

Этот эффект проявляется на различных автомобилях, в том числе известных зарубежных производителей, например, BMW 3-й серии [3]. Исследования, проведённые в научно-техническом центре ОАО «АВТОВАЗ», за период 2001-2003 позволили выявить основные факторы и причинно-следственные связи, оказывающие влияние на появление вибрации рулевого колеса при торможении (рис. 1).

Источником вибрации рулевого колеса при торможении является переменный момент трения в контакте пары «тормозной диск - колодка». Фрикционные автоколебания, передающиеся на рулевое колесо, обусловлены разнотолщинностью тормозного диска, которая может иметь место при изготовлении или развиться в эксплуатации. Главной причиной появления разнотолщинности тормозного диска при эксплуатации является, прежде всего, его неравномерный износ. Степень усиления или ослабления колебаний определяется демпфирующими характеристиками кинематической цепи от источника колебаний до рулевого колеса. Изменения конструкции системы рулевого управления, направленные на повышение комфортности вождения, могут приводить к снижению демпфирующих характеристик всей кинематической цепи, что необходимо компенсировать, в том числе за счёт ужесточения требований к разнотолщинности тормозного диска. При этом, очевидно, что время до появления критической величины разнотолщинности вентилируемого тормозного диска, вызывающей вибрацию, определяется износостойкостью материала.

Вибрация рулевого колеса при торможении начинает проявляться при величине разнотолщинности тормозного диска от 0,02 мм и более. При этом разнотолщинность 0,02…0,04 мм может вызывать вибрацию, выявляемую не всеми водителями и обычно при скоростях 100…120 км/ч, а разнотолщинность более 0,04 мм дает сильную вибрацию во всем скоростном диапазоне торможения.

В настоящей работе основное внимание уделено исследованию влияния технологии изготовления тормозных дисков на появление вибрации рулевого колеса при торможении.

Для оценки точности изготовления вентилируемых тормозных дисков различными видами механической обработки сравнивали серийную технологию без операции и с операцией правки шлифовальных кругов с финишной операцией шлифования, технологию с финишной лезвийной обработкой и серийную технологию без операции шлифования.

Оценивалось влияние отжига заготовок тормозных дисков перед механической обработкой на появление разнотолщинности и коробления тормозных дисков при стендовых и дорожных испытаниях. Также были проведены замеры изменения геометрии тормозных дисков после различных видов механической обработки с отжигом и без отжига отливок при вылеживании в течение 2-х месяцев после изготовления.

Проведён сравнительный комплексный анализ материалов вентилируемых тормозных дисков импортного и отечественного производства, исследованы фрикционные материалы накладок тормозных колодок.

Наибольшую точность (биение - до 0,017 мм и разнотолщинность - до 0,008 мм) даёт технология с финишной лезвийной обработкой, наименьшую –технология с финишной операцией шлифования без правки шлифовальных кругов (биение - до 0,051 мм и разнотолщинность - до 0,036 мм).

Вылёживание дисков при комнатной температуре приводит к изменению их геометрии, нарастающему с течением времени. Необходимо отметить, что при этом может наблюдаться как улучшение, так и ухудшение геометрии. Наименьшим изменениям геометрии подвержены диски с финишной операцией точения, а наибольшей - с финишной операцией шлифования. Это свидетельствует о неблагоприятном воздействии шлифования на качество дисков из-за введения остаточных напряжений и дальнейшей их релаксации, что приводит к изменению геометрии (короблению) дисков [6]. Кроме того, при финишной лезвийной обработке в поверхностном слое развиваются остаточные напряжения сжатия, менее опасные для конструкционной прочности диска по сравнению с растягивающими, вносимыми операцией шлифования [7]. Термическое воздействие на диски в процессе эксплуатации, значительно усиливает релаксационные процессы, приводящие к изменению геометрии дисков, что было подтверждено моделированием температурного воздействия при эксплуатации путём 5-ти циклового отжига при Т = 350°С в течение 7 часов.

Операцией, позволяющей устранить или заметно снизить остаточные литейные напряжения, является отжиг перед механической обработкой [8]. Температурный интервал, в котором проводится отжиг для снятия остаточных напряжений, находится в пределах от 450 до 650°С, причём ближе к его верхней границе релаксация напряжений протекает с наибольшей полнотой при том же времени выдержки [9-11].

Однако для проведения отжига на более высоких температурах механические характеристики материала (твёрдость) детали могут сильно снижаться, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах изделия. Было выявлено, что резкое падение твёрдости наблюдается при отжиге от температур свыше 640°С [11]. Таким образом, операция отжига для снятия остаточных напряжений в промышленных печах с учётом погрешности на неравномерный нагрев рабочего пространства (до ±20°С) должна вестись при температурах не выше 620°С. В качестве опытного технологического режима отжига отливки было принято: нагрев пустой печи до 450°С, загрузка отливок тормозных дисков, нагрев печи вместе с отливками до 580°С, выдержка при 580°С в течение двух часов, охлаждение вместе с печью до 350°С, выгрузка отливок на неметаллическую подложку, охлаждение на воздухе до комнатной температуры). Далее проводилась механическая обработка по различным технологиям и оценивалось влияние отжига отливок на изменение геометрии тормозных дисков.

По полученным нами данным финишная операция шлифования вносит такие остаточные напряжения растяжения, что применение отжига отливок тормозных дисков становиться нецелесообразным. В то же время отжиг отливок с последующей финишной лезвийной обработкой оказывает благоприятное воздействие на стабильность геометрии тормозного диска (см. ниже). При стендовых испытаниях нагрев всех испытанных тормозных дисков в процессе серии торможений вызывает изменение осевого биения рабочих поверхностей:

-       на 0,005…0,015 мм (импортные вентилируемые тормозные диски с более сложной по сравнению с серийными дисками конструкцией перехода между ротором и колоколом (переходной частью от рабочей поверхности к ступице диска); вентилируемые тормозные диски, изготовленные из отожжённых отливок, с финишной лезвийной обработкой; вентилируемые тормозные диски, изготовленные из отожжённых отливок, с финишной операцией шлифования с правкой круга);

-       на 0,005…0,025 мм (вентилируемые тормозные диски с финишной лезвийной обработкой и вентилируемые тормозные диски с удлинёнными рёбрами с финишной операцией шлифования);

-       на 0,005…0,045 мм (вентилируемые тормозные диски без финишной операции шлифования);

-       на 0,020…0,040 мм (вентилируемые тормозные диски с финишной операцией шлифования);

-       на 0,025…0,030 мм (вентилируемые тормозные диски с финишной операцией шлифования с правкой круга);

-       на 0,025…0,035 мм (вентилируемые тормозные диски, изготовленные из отожжённых отливок, с финишной операцией шлифования).

Таким образом, используемая операция шлифования ухудшает формоустойчивость тормозных дисков. По-видимому, это связано с большой ошибкой при смене баз при переходе с токарной операции на шлифовальную, когда шлифование не выбирает ошибку базирования, и с короблением диска в процессе самого «силового» (припуск 0,3…0,4 мм для обычного шлифования слишком большой) шлифования. Неблагоприятные растягивающие остаточные напряжения на поверхности, возникающие в детали после шлифования, оказывают влияние на характер остаточной деформации тормозного диска при термоциклировании в процессе торможения.

На тормозных дисках в процессе эксплуатации была отмечена смена знака остаточных напряжений [12]. Величины остаточных деформаций с наружной и внутренних сторон отливок и дисков в общем случае имеют различные значения и в некоторых случаях - разный знак. В отливках тормозных дисков уровень остаточных напряжений более высок, чем у готовых деталей, что обусловлено наличием литейной корки [12].

Нагрев всех тормозных дисков сопровождается закономерной «зонтичной» деформацией ротора тормозного диска в направлении ступицы (колокола), которая оказывает косвенное влияние на образование «косого» износа тормозных колодок. Более сложная организация перехода между ротором и колоколом у импортного вентилируемого тормозного диска по сравнению с серийным позволила почти в 2 раза снизить «зонтичные» деформации диска. Вентилируемые тормозные диски с продленными радиальными ребрами имеют примерно на 25% меньшее отклонение рабочих колец трения диска от первоначальной плоскости (так называемая «зонтичность») по сравнению с серийными вентилируемыми тормозными дисками.

При исследовании материала тормозного диска после эксплуатации (чугун Gh190)  нами был определён механизм снижения его износостойкости: в поверхности на глубине до 5 мм наблюдается разложение цементита перлита и выгорание углерода. Из-за этого происходит увеличение доли феррита, менее износостойкого по сравнению с пластинчатым перлитом, и появление неблагоприятной формы графита типа Е.

Нами был проведён сравнительный комплексный анализ материалов тормозных дисков импортного и отечественного производства. Можно отметить, что некоторые импортные чугуны-аналоги, несколько уступая по механическим свойствам (главным образом по пределу прочности материала), превосходят чугун Gh190 по износостойкости. Основные отличия таких материалов-аналогов: более высокое содержание серы, образующей сульфид марганца, и наличие таких элементов-карбидообразователей как Мо, V и Ti.

При лабораторных испытаниях нами была установлена зависимость снижения износа чугуна Gh190 и его аналогов от содержания сульфида марганца. При оптимальном содержании серы (0,12%) износостойкость материала повышается до 2-х раз.

По результатам сравнительных лабораторных триботехнических испытаний чугуна Gh190 с содержаниями серы до 0,03% (серийный вариант), 0,10, 0,12 и 0,13% определена зависимость снижения весового износа чугуна Gh190 от концентрации серы. Наименьший износ материала (до 2-х раз) соответствует содержанию в нём серы 0,11…0,13%, что подтверждает результаты, полученные при исследовании импортных аналогов.

Проведены стендовые испытания серийных и опытных вентилируемых тормозных дисков  в два этапа:

-       сравнительная оценка износно-фрикционных свойств серийных вентилируемых тормозных дисков из чугуна Gh190 с содержанием серы до 0,3% и с оптимальным содержанием серы (0,12%) и величины прироста разнотолщинности на опытных и серийных дисках после испытаний;

-       сравнительная оценка стойкости серийного и опытного материалов тормозных дисков к усталостному растрескиванию от многократного воздействия резких «тепловых ударов» при торможении с высоких начальных скоростей.

По результатам проведённых стендовых (натурных) испытаний опытных тормозных дисков отмечено повышение износостойкости и снижение прироста разнотолщинности на 30-35%; на 10-12% уменьшение износа тормозных колодок и удовлетворительную трещиностойкость.

Также по данным лабораторных испытаний подтверждено, что увеличение содержания в сером чугуне молибдена, титана, марганца, хрома по сравнению с их исходными концентрациями при фиксированном содержании серы позволяет дополнительно повысить его износостойкость.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Установлены основные, связанные с технологией изготовления тормозных дисков, причины, вызывающие или активизирующие вибрации рулевого колеса при торможении:

-       исходная разнотолщинность и биение выше критических значений (0,02 мм и 0,05 мм соответственно);

-       высокий уровень остаточных напряжений, вносимых финишной операцией шлифования;

-       недостаточная износостойкость материала тормозного диска.

2. По результатам проведённой работы введены следующие изменения в конструкторскую документацию:

-       биение <=0,03 мм (было <=0,05 мм);

-       неплоскостность <=0,03 мм (было <=0,05 мм);

-       разнотолщинность <=0,01 мм (не регламентировалась).

3. В ОАО «АВТОВАЗ» введён 100% контроль геометрических параметров вентилируемых тормозных дисков, в том числе, разнотолщинности.

4. В технологии изготовления вентилируемых тормозных дисков в ОАО «АЛНАС» уменьшены:

-       допуск на финишную операцию шлифования с 0,2 мм до 0,05 мм (подшлифовка);

-       подшлифовка ведётся лезвийными (эльборовыми) кругами, вместо абразивных.

5.Установлено, что введение в состав чугуна Gh190 оптимальной концентрации серы (0,12%) приводит к значительному увеличению износостойкости материала. В ОАО «АЛНАС» отлита опытная партия вентилируемых тормозных дисков из чугуна Gh190 с содержанием серы 0,12%. По результатам проведённых стендовых (натурных) испытаний опытных тормозных дисков отмечено повышение износостойкости и снижение прироста разнотолщинности на 30-35%; на 10-12% уменьшение износа тормозных колодок и удовлетворительную трещиностойкость. Дальнейшее повышение износостойкости серого чугуна возможно путём его микролегирования в определённых диапазонах элементами-карбидообразователями (например, Mn и Cr).

Список использованной литературы

1. Textar. Тормозные колодки для транспортных средств. // «Развитие и испытания», 1990.
2. Исследование вибрации дисковых тормозов легковых автомобилей с плавающей скобой. // «ATZ», №1, 1999, с. 22-30.
3. БМВ 3-й серии с проблемами передней подвески. // «Mot», №20, 1999.
4. Разработка методики для исследования вибрации тормозов. // «ATZ», №1, 2001.
5. Инструкция по замене тормозного диска «Brembo».
6. Коцюбинский О. Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок. - М.: Машиностроение, 1974. - с. 5.
7. Гаркунов Д. Н. Триботехника. Износ и безызносность. - М.: МСХА, 2001. - с. 71-76.
8. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980. - с. 152.
9. Кунявский М. Н. Термическая обработка чугуна. - М.: НТО Машпром, 1957. - с. 30-38.
10. Чугун / Под ред. канд. тех. наук А. Д. Шермана и докт. тех. наук. А. А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. - с. 158, 159.
11. М. А. Выбойщик, Д. А. Болдырев, А. И. Волков. О релаксации остаточных напряжений в отливках из серого чугуна. // Сборник трудов. Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти, 2003, с. 443-445.
12. М. А. Выбойщик, Д. А. Болдырев, А. И. Волков, М. М. Криштал. Оценка уровня остаточных напряжений в тормозных дисках. // Сборник трудов. Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти, 2003, с. 422-427.