Процесс трения и износа в паре "Тормозной диск - колодка"
Статьи от автора: Криштал М.М.УДК 669.131.6
Обезуглероживание, диспергирование перлита и графита, микрорезание, окисление, намазывание.
Проведены испытания на трение и износ образцов из чугуна Gh190, используемого для изготовления тормозных дисков автомобилей ВАЗ, с шестью видами фрикционного материала тормозных колодок, применяемых для различных марок легковых автомобилей. Оценены механические характеристики фрикционных материалов и их влияние на изменение микрогеометрии и формирование вторичных структур в материале тормозного диска при испытаниях.
Для изготовления тормозных дисков в ОАО «АВТОВАЗ» используют серый перлитный чугун Gh190 (литьё ОАО «АЛНАС»), соответствующий по механическим свойствам и микроструктуре марке СЧ25 (по ГОСТ 1412-85). Особенности чугуна Gh190 и его ориентировочный химический состав приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1. Структурные и механические характеристики отливок из серого чугуна Gh190.
|
Микроструктура в обозначениях по ГОСТ 3443-87*
|
Механические свойства
|
||||
|
Металлическая основа в структуре чугуна рабочей зоны деталей
|
Графит
|
Временное сопротивление на разрыв
|
Твёрдость по Бринелю
|
||
|
Перлит пластинчатый Пт1, П96(Ф4)
|
Цементит
≤ 1%, следы
|
Форма включений ПГф1, ПГф2, Пгф4
|
Распределение включений ПГр1 - преобладающее, ПГр4, ПГр7, ПГр9 - допускаемое
|
sв ≥ 255 МПа
|
190…235 НВ
|
| * Пт1 - перлит пластинчатый; П - площадь, занятая перлитом в металлической основе, %; (например, П96: 96±2% перлита + 4±2% феррита); ПГф1 - прямолинейная пластинчатая форма графита; ПГф2 - завихрённая пластинчатая форма графита; ПГф4 - гнездообразная форма графита; ПГр1 - равномерное распределение графита; ПГр4 - веточное распределение графита с междендритными колониями; ПГр7 - розеточное распределение графита; ПГр9 - междендритное распределение графита (с преимущественным распределением); | |||||
Таблица 2. Химический состав чугуна Gh190.
|
Содержание химических элементов, %
|
|||||||
|
C
|
Si
|
Mn
|
Cu
|
Ni
|
Cr
|
S
|
P
|
|
3,25…3,50
|
1,80…2,20
|
0,50…0,70
|
0,20…0,50
|
0,10…0,30
|
0,10…0,20
|
≤ 0,12
|
≤ 0,10
|
|
S(Cu+ Ni)=0,60
|
|||||||
Фрикционный материал тормозной колодки представляет собой композит, состоящий из фракций различной степени дисперсности и химического состава (латунная или медная стружка, стальная вата и др.), связанных органическим наполнителем – фенолформальдегидной смолой.
Для исследования воздействия фрикционного материала на характеристики тормозного диска были проведены испытания тормозных дисков с шестью видами материала тормозных колодок (1–6), химический состав которых представлен в табл. 3.
Таблица 3. Химический состав материалов фрикционных накладок тормозных колодок.
|
№
|
Содержание элементов, %
|
||||||||||||||||
|
C
|
S
|
Al
|
Cu
|
Fe
|
Si
|
Zn
|
Pb
|
Ni
|
Ti
|
Ba
|
Mg
|
Mn
|
Na
|
Sr
|
K
|
Ca
|
|
|
1
|
18,1
|
-
|
0,84
|
11,80
|
27,4
|
-
|
3,28
|
0,13
|
-
|
0,140
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
2
|
24,2
|
2,95
|
3,95
|
3,34
|
14,9
|
1,08
|
2,23
|
0,08
|
0,020
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
3
|
19,4
|
3,49
|
0,67
|
8,23
|
19,4
|
0,11
|
2,41
|
0,09
|
0,010
|
0,002
|
2,88
|
0,10
|
0,13
|
0,05
|
0,02
|
0,04
|
2,88
|
|
4
|
22,7
|
-
|
1,97
|
5,84
|
14,3
|
1,12
|
3,67
|
0,16
|
0,023
|
0,140
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
5
|
19,1
|
-
|
0,13
|
11,77
|
35,2
|
0,29
|
3,52
|
0,05
|
0,008
|
0,020
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
6
|
19,0
|
3,91
|
0,82
|
9,85
|
19,6
|
0,24
|
3,56
|
0,16
|
0,050
|
0,080
|
2,87
|
0,30
|
0,17
|
0,05
|
0,03
|
0,21
|
0,36
|
| * Связующий компонент – фенолформальдегидная смола. | |||||||||||||||||
Были проведены лабораторные и стендовые натурные испытания пары трения «тормозной диск - колодка».
Триботехнические испытания образцов из материалов исследуемой пары трения проводили на универсальной машине для испытаний на трение и износ по схеме «ролик - пластина». Из материалов тормозных колодок были изготовлены образцы в виде пластин, а из чугунов - образцы в виде роликов. Режим испытаний: нормальная нагрузка – 36 Н, линейная скорость – 6,23 м/с, время проведения одного испытания - 10 минут. Износ чугунных образцов определялся весовым способом (средняя величина износа определялась при доверительной вероятности 80%).
Натурные испытания проводились на инерционном динамометрическом стенде, разработанном и изготовленном в ОАО «АВТОВАЗ» совместно с фирмой «FIAT».
Стенд обеспечивает заданные режимы работы тормозного узла и имеет контрольно-измерительное оборудование, позволяющее контролировать и регистрировать следующие параметры:
- температуру в диапазоне от 0 до 600 °С с погрешностью ±10 °С;
- давление жидкости в тормозном цилиндре в диапазоне от 0 до 9,81 МПа (от 0 до 100 кгс/см2) с погрешностью ±1,6 %;
- тормозной момент в диапазоне от 0 до 1472 Н×м (от 0 до 150 кгс×м) с погрешностью ±1,5 %;
- частоту вращения инерционного вала стенда в диапазоне от 0 до 30 с–1 (от 0 до 1800 мин–1) с погрешностью ±1,5 %;
- время между торможениями в диапазоне от 0 до 60 с с погрешностью ±1,5 %.
В настоящей работе стендовые натурные испытания пары трения «тормозной диск - колодка» проводились по следующим режимам:
- момент инерции J=4,18 кг´м2;
- количество торможений при каждой начальной температуре нагрева тормозного диска: N=200;
- начальные температуры нагрева тормозного диска перед торможением: 100°С, 150°С, 200°С, 250°С, 300°С и 350°С;
- замедление: ja=3 м/с2;
- момент трения: Мт=38 кг´м;
- начальная скорость торможения: Vнач=100 км/ч;
- конечная скорость торможения: Vкон=60 км/ч.
По результатам испытаний оценивали:
1. Максимальное значение коэффициента трения пары и его снижение до минимального при повышении температуры испытаний (табл. 4).
Таблица 4.
|
Коэффициент трения
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
|
fmax
|
0,39
|
0,55
|
0,51
|
0,45
|
0,44
|
0,51
|
|
fmin
|
0,32
|
0,29
|
0,30
|
0,25
|
0,36
|
0,42
|
|
Df
|
0,07
|
0,26
|
0,21
|
0,20
|
0,08
|
0,09
|
2. Суммарный линейный износ фрикционного материала накладки тормозной колодки за серию испытаний, мм (табл. 5).
Таблица 5.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
6,39
|
2,07
|
2,54
|
5,28
|
5,23
|
6,08
|
3.Линейный износ рабочих поверхностей тормозного диска при заданной температуре за определённое количество торможений, мм (табл. 6).
Таблица 6.
|
Температура при торможении, °С
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
|
100
|
0,025
|
0,015
|
0,020
|
0,005
|
0,010
|
0,010
|
|
150
|
0,025
|
0,015
|
0,010
|
0,010
|
0,005
|
0,010
|
|
200
|
0,030
|
0,035
|
0,010
|
0,010
|
0,005
|
0,020
|
|
250
|
0,035
|
0,025
|
0,010
|
0,025
|
0,005
|
0,020
|
|
Суммарный износ
|
0,115
|
0,090
|
0,050
|
0,050
|
0,025
|
0,060
|
|
300
|
0,040
|
0,005
|
0
|
-0,020*
|
0,005
|
0,030
|
|
Суммарный износ
|
0,155
|
0,095
|
0,050
|
0,030
|
0,030
|
0,090
|
|
350
|
0,055
|
-0,010*
|
-0,010*
|
-0,015*
|
0,015
|
0,060
|
|
Суммарный износ
|
0,210
|
0,085
|
0,040
|
0,015
|
0,045
|
0,150
|
| *) Намазывание фрикционного материала колодки в процессе испытания. | ||||||
4. Весовой износ образцов из чугуна Gh190 после лабораторных испытаний, мг (табл. 7).
Таблица 7.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
3,8±1,2
|
0,8±0,3
|
7,9±0,8
|
1,7±0,7
|
4,8±0,4
|
8,2±1,1
|
5. Максимальное значение биения тормозного диска и его снижение до минимального после приработки и серии торможений, мм (табл. 8).
Таблица 8.
|
Биение
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
|
Бmax
|
0,210
|
0,205
|
0,190
|
0,190
|
0,195
|
0,180
|
|
Бmin
|
0,180
|
0,175
|
0,115
|
0,130
|
0,180
|
0,155
|
|
DБ
|
0,030
|
0,030
|
0,075
|
0,060
|
0,015
|
0,025
|
6. Прирост разнотолщинности тормозного диска после приработки и серии торможений, мм (табл. 9).
Таблица 9.
|
Разнотолщинность
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
|
Рmin
|
0,010
|
0,005
|
0,010
|
0,010
|
0,010
|
0,010
|
|
Рmax
|
0,015
|
0,025
|
0,010
|
0,030
|
0,030
|
0,015
|
|
DР
|
0,005
|
0,020
|
0
|
0,020
|
0,020
|
0,005
|
7. Максимальная шероховатость поверхности тормозного диска после испытаний: Ramax (табл. 10).
Таблица 10.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
9,3
|
8,4
|
9,0
|
21,0
|
9,4
|
22,4
|
8. Твёрдость фрикционных материалов 187,5/10/30 (при доверительной вероятности 90%) (табл. 11).
Таблица 11.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
27,8±1
|
13,9±0,9
|
25,1±1,3
|
19,7±1,3
|
23,2±1,6
|
21,1±2,6
|
9. Предел прочности на сжатие фрикционных материалов, МПа (при доверительной вероятности 80%) (табл. 12).
Таблица 12.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
85±7
|
85±6
|
64±10
|
81±6
|
99±8
|
76±12
|
10. Модуль упругости (Юнга) фрикционных материалов, МПа (при доверительной вероятности 80%) (табл. 13).
Таблица 13.
|
Колодки
|
|||
|
1
|
2
|
5
|
6
|
|
1324±122
|
589±49
|
1175±103
|
1073±108
|
11. Предельное содержание феррита (вторичной структуры трения) в поверхности рабочей части тормозного диска после испытаний, %об (табл. 14).
Таблица 14.
|
Колодки
|
|||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
4
|
8
|
2
|
4
|
1
|
0,5
|
Следует отметить, что при анализе микроструктуры рабочих поверхностей тормозного диска содержание вторичной структуры (феррита) в металлической основе неодинаково по объёму и постепенно увеличивается в радиальном направлении от ступичной части рабочей поверхности к её краю на глубину до 0,30…0,45 мм.
При анализе поверхностей трения обнаружено, что при работе тормозного диска в паре с фрикционными материалами 1, 5 и 6 превалирующим типом износа деталей является микрорезание, а в паре с фрикционными материалами 2, 3 и 4 - интенсивность микрорезания снижается за счёт наволакивания связующего на поверхности трения тормозного диска.
Наилучшим фрикционным материалом по результатам комплексной оценки является материал 5. Фрикционный материал 6 является достаточно агрессивным по отношению к материалу тормозного диска (особенно при температурах свыше 350°С) за счёт преобладания в механизме износа процессов микрорезания. При этом наблюдается прирост разнотолщинности и содержание феррита в поверхностном слое при очень большой величине его шероховатости Rа. Другой механизм износа имеет место при работе в пары трения «тормозной диск - фрикционный материал 6». В данном случае максимальные значения шероховатости и падения коэффициента трения от температуры получаются в результате намазывания фрикционного материала накладки на рабочую поверхность тормозного диска. В результате отмечается минимальный общий линейный износ рабочих поверхностей и высокий прирост разнотолщинности. Фрикционный материал 3 имеет следующие положительные отличия от своих аналогов - это отсутствие увеличения разнотолщинности в заданных условиях испытаний при наибольшей величине снижения осевого биения тормозного диска. Фрикционные материалы 1 и 2 можно оценить одинаково за счёт равного баланса показателей, влияющих на микрогеометрию и микроструктуру.
Анализ поверхностей трения тормозных дисков после стендовых испытаний с помощью сканирующего электронного микроскопа и микрорентгеноспектрального анализа показал различия в механизмах трения для различных материалов колодок. Имеет место 2 механизма - наволакивание и механохимический износ, который, в свою очередь, включает в себя окисление и микрорезание. Анализ распределения элементов на поверхностях трения тормозных дисков показал, что в зависимости от количества и дисперсности композитных составляющих материала накладки эффект переноса может проявляться по-разному. Наиболее стабильный и ровный процесс переноса алюминия и меди наблюдается при испытаниях с материалом Фритекс. Здесь, по-видимому, имеет место динамическое равновесие между наволакиванием и механохимическим износом. При испытаниях с материалом ТИИР 240 процесс переноса элементов происходит локально и неравномерно. При этом преобладает механохимический износ. В результате работы фрикционного материала МарКон в паре с тормозным диском отмечается наименьший линейный износ за серию испытаний в температурном диапазоне 100…350°С. Это обусловлено намазыванием полимерного связующего фрикционного материала на рабочую поверхность диска при снижении коэффициента трения.
На всех поверхностях трения наблюдаются локальные участки скопления углерода. В общем случае - это очаги графитных включений в чугуне. Однако на поверхности диска после испытаний с материалом ТИИР 109-08-8 эти участки превышают размер колоний графитных включений. По-видимому, это углерод разложения полимерного связующего материала колодки. Сопутствующий процесс при работе со всеми фрикционными материалами - интенсивное окисление поверхности, которое более выражено у фрикционных материалов МарКон и ТИИР 109-08-8.