Рекомендации по применению композиционных составов повышенной фрикционности в тормозных колодках и дисках сцепления современных транспортных средств с целью повышения эффективности работы

NovaInfo 46, с.1-22
Опубликовано
Раздел: Физико-математические науки
Просмотров за месяц: 20
CC BY-NC

Аннотация

В данной статье представляются ныне применяемые композиционные составы повышенной фрикционности в тормозных колодках(накладках) и дисках сцепления. Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Сейчас на рынке существуют три основных типа композиционных материалов для автобусов, грузовых и легковых автомобилей, они обобщены, что в тормозных колодках, что и в дисках сцепления. Это органические (с неметаллической матрицей), металлосодержащие(с металлической матрицей) и керамические(неорганические). Конечно же, есть такие типы, которые совмещают в себе эти основные типы, например, металлокерамические, низкометаллические, то есть процентное содержание металла небольшое, остальное содержит в себе органические составы. Далее мы эти составы рассмотрим более подробно. Также выделено, какие есть изобретения составов, для улучшения физико-механических и термо- и износостойкости фрикционных изделий. Следует отметить, что ресурсы элементов сцепления ограничены и не достигают срока в среднем 100 - 150 тыс. км пробега. Но это всё зависит не только от самого фрикционного материала, но от стиля вождения, то есть правильности эксплуатации автомобиля. Следовательно, основываясь на этом можно дать оценку эффективности работы тормозных колодок и дисков сцепления, выделить достоинства и недостатки при их применении.

Ключевые слова

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Текст научной работы

Введение

В данной статье представляются ныне применяемые композиционные составы повышенной фрикционности в тормозных колодках(накладках) и дисках сцепления. Композиционный материал — конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Сейчас на рынке существуют три основных типа композиционных материалов для автобусов, грузовых и легковых автомобилей, они обобщены, что в тормозных колодках, что и в дисках сцепления. Это органические (с неметаллической матрицей), металлосодержащие(с металлической матрицей) и керамические(неорганические). Конечно же, есть такие типы, которые совмещают в себе эти основные типы, например, металлокерамические, низкометаллические, то есть процентное содержание металла небольшое, остальное содержит в себе органические составы. Далее мы эти составы рассмотрим более подробно.

Также выделено, какие есть изобретения составов, для улучшения физико-механических и термо- и износостойкости фрикционных изделий.

Следует отметить, что ресурсы элементов сцепления ограничены и не достигают срока в среднем 100 — 150 тыс. км пробега. Но это всё зависит не только от самого фрикционного материала, но от стиля вождения, то есть правильности эксплуатации автомобиля.

Следовательно, основываясь на этом можно дать оценку эффективности работы тормозных колодок и дисков сцепления, выделить достоинства и недостатки при их применении.

Применение композиционных составов повышенной фрикционности в тормозных колодках (накладках) и дисках сцепления современных транспортных средств

Сначала разберём, из чего состоит современный композиционный состав во фрикционных изделиях. В его смесь входят более десятка различных минеральных и органических компонентов. На тормозные качества фрикциона влияют состав и процентное соотношение используемых компонентов. Хотя составы различны, можно выделить основные составляющие, присущие каждому фрикциону:

  • Абразив;
  • Модификатор трения;
  • Регулятор трения/усилители;
  • Наполнитель;
  • Связующий элемент.

Такое разделение довольно условно, т.к. компоненты несут неоднозначную нагрузку.

Абразив

Абразивы очищают трущиеся поверхности, помогая формировать фрикционную пленку на границе трущихся поверхностей тормозного диска и колодки.

Вторая функция абразива — увеличение коэффициента трения, особенно в момент начала торможения. Сильная начальная хватка изделия говорит о высокой пористости и жесткости структуры, свойстве, присущей абразивам.

Производители вынуждены искать компромисс при выборе абразивов.

В случае дисковых или барабанных тормозных систем, если абразива слишком много — быстрее стирается диск /барабан, если слишком мало, то диск/барабан полируется.

Коэффициент трения на отполированном диске/барабане ниже, чем на пористом.

Отполированный диск/барабан — верный признак плохо работающей колодки.

(Пример: Окись алюминия, оксиды железа, измельченный в порошок кварц, силикат циркония)

Модификатор трения

Материалы несут две функции:

  • Управляют фрикционной пленкой между, трущимися элементами, колодкой/накладкой и диском/барабаном;
  • Регулируют коэффициент трения колодки/накладки.

Графит — Наиболее широко используемый элемент. Коэффициент трения зависит от структуры. Не работает при температурах выше 600ºС, сгорает при температурах > 700ºC.

Медь — Используется в порошкообразном виде. (Обычно используется в МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ колодках/накладких).

Сульфиды металлов — Коэффициент трения: Sb (0,47 — 0,49), PbS (0,40 — 0,47), Cu2S 0,36-0,52).

(Пример: графит, медь, оксиды металлов, сульфиды металлов, нефтяной кокс)

Регулятор трения / Усилители

Предают большую износоустойчивость составу.

Как правило, это фибры металлов их сплавов или синтетические фибры, например кевлар.

Дополнительная роль — регулятор трения.

  • синтетические фибры — Кевлар, Дупонт Кевлар или Twaron;
  • фибры металлов — сталь, медь, бронза;
  • Органика — Хлопок, Хлопок, кремнезём.

(Пример: синтетические фибры, фибры оксидов металлов, фибры металлов, органика).

Наполнитель

Асбест — Наиболее широко распространенный наполнитель (до 1997г). Теперь запрещен к использованию, из-за вредности для здоровья.

Титанат калия — Усилительные фибры, кевлар. [11]

(Пример: асбест, бариты, титанат калия, волластонит, вермикулит, базальтовый фибер, роквул, керамический фибер) Наполнитель — формирует структуру. Служит для заполнения пространства колодки между регуляторами трения, усилителями и абразивами. Дополнительная роль — регулятор трения.

Армирующий наполнитель представляет собой в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают композиты, образованные из слоев; армированные непрерывными параллельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Расположение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмерным— пространственным.

Армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, волокна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т. е. большим модулем упругости Е, химической стойкостью, и сохранять этих свойств в интервале эксплуатационных температур.

В качестве армирующих используют моноволокна, жгуты или ткани, сформированные из моноволокна. Основное применение получили следующие типы волокон.

Стеклянные волокна наиболее широко применяют при создании композитов с неметаллической матрицей. При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к химическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8÷3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием их до диаметра 3÷9 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновая эмульсия) для предотвращения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они обладают высокой удельной прочностью, превосходящей все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. Применяют волокна на основе ароматических полиамидов, которые обладают высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.

Прочность углеродного волокна достигает 1500÷2000 МПа, что cоответствует прочности молибденовой проволоки.

Борные волокна обладают по сравнению с другими армирующими компонентами большим модулем сдвига G. Бор является полупроводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пониженные тепло- и электропроводность. Метод получения борных волокон — химическое осаждение бора из смеси газов (2ВС13 + ЗН2 →2В + 6НС1) на вольфрамовую подложку при температуре около 1100 °С. Эти волокна применяют при создании композитов как с металлической, так и с полимерной матрицей.

Волокна из карбида кремния имеют пониженные механические свойства по сравнению с волокнами из бора и углерода, для них характерна повышенная чувствительность к поверхностным дефектам. Их используют для металлокомпозитов, работающих при высоких температурах.

Металлические волокна и проволоки являются наиболее экономичными. Для композитов, работающих при низких температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна, а эксплуатируемых при высоких температурах — вольфрамовые или молибденовые. Стальные волокна в основном изготовляют из высокопрочной коррозионностойкой стали.

Коротковолокнистая арматура. Диаметр волокон — 1÷10 мкм при средней длине 275 мкм. Особо высокая жесткость и прочность, близкая к теоретической, характерны для нитевидных кристаллов («усов»), что обусловлено совершенством их структуры. Нитевидные кристаллы могут быть использованы для создания композитов с различными матричными материалами. Свойства некоторых армирующих волокон приведены в табл. 1. [2]

Таблица 1. Свойства волокон и нитевидных монокристаллов

Материал

Температура плавления, °С

Диаметр волокна, мкм

Плотность, г/см3

σв, МПа

Е, ГПа

Волокна

Угрерод

3650

5,8÷7,6

1,6÷2

1700÷3400

200÷680

Бор, борсик (В + SiC) на вольфрамовой проволоке

2300

102÷142

2,6÷2,8

2700÷4000

380÷410

SiC на вольфрамовой проволоке

2200

102

3,35÷3,46

2200÷3900

490÷570

Al2O3

2040

3

3,14

2030

169

Стекло

20

2,5

4482

90

Бериллий

1284

125÷1500

1,85

700÷1000

295

Вольфрам

3410

50÷1270

19,3

1600÷3200

420

Нержавеющая сталь

Свыше 1500

150

7,8

3800

200

Нитевидные монокристаллы

Сапфир, Al2O3

2040

0,50÷11

3,96

4000÷24 000

400÷1000

Карбид кремния

2690

0,50÷11

3,22

13 533÷40 600

40÷1000

Связующий элемент

Это своего рода клей, связывающий компоненты воедино. Дополнительная роль — регулятор трения. Также к этому составляющему относят такое понятие, как металлическая и неметаллическая матрица. [11]

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Фенолоальдегидный полимер (органика) — Наиболее часто используемая матрица в органических подложках. Избыток элемента приводит к снижению коэффициента на высоких температурах (увяданию).

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму.

Композитные материалы или композиционные материалы с металлической матрицей состоят (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы. [2]

Диапазоны температур

Не следует гоняться за спортивными колодками, работающими в высоком диапазоне температур, полагая, что вы тормозите круто. Спортивные колодки требуют прогрева, начиная работать с 177ºС, что полностью обесценивает их в городе. Даже при очень активной уличной езде, температура колодки не превышает 370ºС. Необходимостью прогрева можно объяснить нелинейную, прогрессивную схватку присущую спортивной колодки проявляющейся сразу после прогрева. На холодную, колодка выдает коэффициент трение, меньше обычной низкотемпературной органики. После прогрева до 170 градусов — происходи скачкообразный рост коэффициента трения до рабочего. Если колодку регулярно подогревать (что происходит на треке естественным образом), то высокий коэффициент трения будет устойчив, не смотря на экстремальные температурные условия. Хорошая, но не спортивная колодка ведет себя противоположным образом. Она сохраняет свой коэффициент трения практически с 0 до 350 градусов, затем наступает момент увядания — резкого падения коэффициента трения под воздействием избыточной температуры, дальнейший перегрев колодки может привести к её разрушению. [11]

Диапазоны температур: Эксплуатация в городе: < 370ºC; Трек: 483-800ºС.

Основные типы применяемых композиционных материалов для тормозных колодок и дисков сцепления

«Органические» материалы с неметаллической матрицей

Следует отметить, что как таковой органического материала не существует. Иными словами — органическая колодка — как минимум, обобщающий термин. Под органической колодкой понимается любая колодка, во фрикционном составе которой содержатся органические материалы природного и искусственного(полимерные) происхождения: графит, уголь, хлопок, кевлар, резина и т.д.

Так же к этому типу относятся бесасбестовые (Non-Asbestos Organics — NAO) материалы. Этот тип сделан из волокон, в состав которых входят такие материалы, как стекло, резина, графит, кевлар, вермикулит, слюда, фиберфакс, пиро-пан, полиэфир и высокотемпературная смола и др., то что может быть альтернативой асбесту.

В органические составы применяют такие виды термопласты с минеральными волокнами, органическими волокнами, тестолитовые. Они служат как связующие для композиционного материала. Они обладают высокой термопластичностью (100-130 °С). Для деталей работающих в узлах трения, широко применяются пластики из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами (полиамидными пластмассы, графитопласты, металлонаполненные пластики).

Образец безасбестового фрикционного диска
Рисунок 2. Образец безасбестового фрикционного диска
Образец безасбестовой фрикционной накладки
Рисунок 3. Образец безасбестовой фрикционной накладки

Отметим, что для помощи в идентификации материала колодок указан код, который указывает на производителя, химический состав и номинальный коэффициент трения, рассчитанный по стандартам SAE(Society of Automotive Engineers). SAE разработала систему идентификации уровня трения, в основе которой лежат две буквы. Первая буква — это усредненный нормальный коэффициент трения, взятый в четырех точках- 90С, 122С, 149С, 205С после нормального разогрева колодки от комнатной температуры. Вторая буква это усредненный горячий коэффициент трения, взятый в 10 точках после восстановления колодки от перегрева. Подробнее с методикой замера коэффициента трения можно познакомиться, прочитав описание метода тестирования J661 «Chase Machine».

Таблица 2.

Код

Коэффициент трения

C

до 0.15

D

с 0.15 до 0.25

E

с 0.25 до 0.35

F

с 0.35 до 0.45

G

с 0.45 до 0.55

H

с 0.55 до 0.8

Z

не определен

Обычно тормозные колодки для каждодневного городского движения имеют средний коэффициент трения в пределах от 0,25 — 0,35. Тормозные колодки с улучшенными характеристиками имеет коэффициент трения около 0,46, и в большинстве случаев пользователь сразу замечает улучшение эффекта торможения.

В номерах колодок часто указывают индексы HH, GG, GF, FF, FE — это и есть результаты тестирования методом J661 . У колодок, нуждающихся в прогреве, первая буква меньше второй. На низкотемпературных колодках (органике), в виду неустойчивости к большим температурам вторая буква бывает меньше первой. На колодках, устойчиво работающих на тестируемых температурах обе буквы одинаковы. У метода J661 есть свои недостатки. Бывает, используя альтернативные методы тестирования (Fast Machine) получают противоречивые результаты. Между тем, метод SAE J661 является официальным стандартом качества колодки. [11]

Существует изобретение, где провели повышение физико-механических, термо- и износостойкости тормозных накладок модификацией, борорганическим полимером (бороволокнитом). Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения боровлокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать притемпературе не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Исследование велось на примере компонентного состава серийно выпускаемых тормозных накладок марки БАТИ 231 и 143-63, который представлен на рисунке 4.

Компонентный состав тормозных накладок БАТИ 231 и 143-63
Рисунок 4. Компонентный состав тормозных накладок БАТИ 231 и 143-63

В результатах этой проведённой работы вывели, что:

  1. Установлено, что введение 5% масс. полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в полимерную фрикционную композицию на основе каучуков СКИ-3 и СКД, и минерального наполнителя волластонита увеличивает значение изгибающего напряжения при изгибе на 75%, а разрушающего напряжения при сжатии на 33%, относительно немодифицированной композиции (температура отверждения 230 °С, время 30 минут);
  2. Показано, что введение в состав фрикционного материала добавки полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в количестве 5% масс. уменьшит износ композиции на 25%, относительно немодифицированной;
  3. Полимерная композиция модифицированная (5% масс.) полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты обладает большей термостойкостью (в 3-4 раза при температурах 350-450 °С), относительно немодифицированной композиции;
  4. Введение 5% масс. полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в серийно выпускаемые асбестсодержащие тормозные накладки марки 143-63 приводит к увеличению изгибающего напряжения при изгибе на 75%, относительно немодифицированной, а после температурной обработки (350 °С, 30 минут) прочность модифицированных образцов в 4,5 раза выше по сравнению с базовой. Кроме того, модифицированные образцы обладают более высоким (на 20%) значением коэффициента трения при температурах 50 — 150 °С;
  5. Модификация безасбестовой композиции (БАТИ 231) приводит к увеличению прочности при изгибе на 22%, а после высокотемпературного воздействия (400 °С) прочность увеличивается на 36%, относительно базы. Значения коэффициента трения модифицированной композиции в 1,5 — 2,0 раза выше (при температурах 150 — 300 °С), относительно немодифицированной;
  6. Модифицированные образцы (143-63 М и БАТИ 231 М) обладают повышенной износоустойчивостью (в 2 раза) и меньшей интенсивностью износа (в 2 раза), относительно немодифицированных композиций. [6].

Так же известны такие изобретения композиционных составов, как:

  • из авторского свидетельства СССР N1556989, C 08 J 5/14 известен полимерный композиционный материал, выполненный на основе фенолформальдегидной матрицы и содержащий бутадиеннитрильный каучук, базальтовое, стеклянное и углеродное волокна, бронзовую стружку, медный порошок и другие целевые добавки. Материал получается в результате двухстадийного прессования и используется в качестве фрикционной накладки тормозной автомобильной колодки. [9];
  • композиция для безасбестового фрикционного материала включает, %: фенольную смолу в качестве связующего 5,0 — 15,0; усиливающий волокнистый наполнитель, состоящий из смеси арамидного волокна 1,5 — 3,0, минеральные волокна 5,0 — 20,0 и стальные волокна 2,0 — 20,0; карбид кремния 8,0 — 15,0; порошкообразный сплав с температурой плавления 320 — 380С и скрытой теплотой плавления более 15 кал/г на основе легкоплавких металлов 3,0 — 12,0; сернокислый барий остальное. Композиция может дополнительно содержать латунную проволоку и/или углеродное волокно в количестве до 15% каждого из указанных компонентов, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием звеньев нитрила акриловой кислоты 27 — 35% в количестве до 5% в сочетании с серой в количестве до 1%, слюду в количестве до 10% . В качестве порошкообразного сплава предпочтительнее использовать сплав, выбранный из группы, включающей сплав цинка и магния, взятых в массовом соотношении 94: 6 или 98: 2 или 54: 46, сплав цинка, магния и алюминия в массовом соотношении 90,5: 3,5: 6,0, сплав цинка, меди и алюминия в массовом соотношении 88: 4: 8, сплав олова и алюминия в массовом соотношении 97,5: 2,5. Коэффициент трения полученного полимерного материала (по схеме вытирания канавки с подъемом температуры до 600°С) составляет 0,40 — 0,43, энергетический износ (0,38-1,9)·10-7 см3/Дж. [8].

Не забываем и про иностранных учёных, которые тоже разрабатывали составы для фрикционных изделий. Приведём пример иностранных патентов:

  • заявка ФРГ N 3930402, C 08 J 5/14, опубликованной в 1991 г., поданной японской фирмой "Honda Kogio K.K.", известен наполнитель для фрикционного полимерного композиционного материала, который содержит фибрилированные углеродные и арамидные волокна, медно-цинковый порошок, графит, дисульфид молибдена, диоксид кремния. Наполнитель смешивают со связующим на основе фенольной смолы, отверждают и получают материал, из которого изготавливают фрикционную накладку для тормозной автомобильной колодки;
  • известна заявка ФРГ N4018671, C 08 J 5/14, опубликованная в 1990 г. и поданная японской фирмой Toyota Jidoska K.K. Согласно этой заявке диск сцепления автомобиля изготавливают из двух частей: основной и усилительной. Усилительную часть выполняют из стеклянного однонаправленного жгута и полиамидных штапельных волокон, которые пропитывают полимерным связующим, содержащим фенольную смолу и бутадиеновый каучук, и скручивают в шнур. Затем из шнура образуют диск, укладывая его спиралью, и прессуют. Основную часть прессуют при комнатной температуре из смеси фенольной смолы, мелкодисперсных наполнителей и целевых добавок (рубленые стеклянные волокна, полиамидные волокна Kevlar и др.). Усилительную и основную части соединяют в пресс-форме и прессуют под давлением при нагревании в течение 3 — 6 ч;
  • в заявке ФРГ N4010694, C 08 J 5/04, опубликованной в 1991 г. защищается усиленная волокнами заготовка (препрег) из текстильного материала-наполнителя, пропитанного термореактивной смолой, весовая доля которой в препреге составляет 30 — 70%. Наполнитель может представлять собой ткань преимущественно из высокопрочных текстурированных полиакрилнитрильных нитей. В качестве связующего используют модифицированную фенольную смолу, содержащую до 25% фторполимера. Способ изготовления фрикционного полимерного композиционного материала заключается в том, что полученную вышеуказанным методом заготовку складывают в несколько слоев и формуют в пресс-форме при температуре 160 °C под давлением 5 — 6 МПа. [9].

Известна противошумная тормозная колодка, имеющая накладку из композиционного материала, содержащая 8 — 15% смолы на основе скорлупы ореха кешью, 5 — 25% нитрилового каучука, 8 — 30% смолистой связки, 4 — 20% волокна, выбранного из группы, содержащей металл, стекло, минералы, и 5 — 18% углеродистого материала (US, 5083643, F 16 D 69/00, 1992). Недостатками указанных композиционных материалов для фрикционных накладок являются быстрый износ накладок и их высокая стоимость. [7]

Есть фрикционные изделия с влючением карбоволокниток (углепласты), которые представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают наэпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и

КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Е почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства: [pic] = 0,0024-0,0034 Ом·см (вдоль волокон); tg =0,001 (при частоте тока 10[pic] Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. [5]

Из органических усилителей искусственного происхождения в композиционных материалах выделим кевларовые волокна (полипарафенилен-терефталамид). Кевлар обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Он лучше противостоит разрушению, вибрации и распространению трещин, великолепно держит ударные нагрузки.

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196°C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480°C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150°C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160°C прочность на разрыв уменьшается на 10—20% после 500 часов. При 250°C кевлар теряет 50% своей прочности за 70 часов. [4]

Теперь подытожим, то есть отметим достоинства и недостатки применения композиционных составов органического типа, а так же и применения самих фрикционных изделий.

Рассмотрим достоинства и недостатки самих фрикционных изделий, то тут надо говорить отдельно о каждом основном составляющем в композите, как асбестосодержащих, безасбестовых, кевлавровых, карбоновых включений.

Достоинства этих включений являются:

  • асбестосодержащие от безасбестовых отличаются тем, что главный компонент асбест обладает высокой огнестойкостью и поэтому всегда использовался в составах и композициях, где необходимо сочетание гибкости и термостойкости. И, соответственно, его плюсом считается и низкая стоимость. [15]. Конечно, следует отметить, что асбест считается канцерогенным веществом и его полностью пытаются заменить, но этот фактор всё равно не исключил полное его отсутствие во фрикционных изделиях, и производство асбестосодержащих композитов всё равно абсолютно не отменили, но поставили условие, чтобы процентное содержание асбеста в композиционном составе было самым наименьшим;
  • у безасбестосодержащих полюсами в эксплуатации это низкий уровень шума и низкая степень износа контактных элементов сцепления. Обеспечивают мягкое включение сцепления и плавное начало движения, переносят низкие температуры; [4];
  • карбоновые обладают сравнительно небольшим весом, и при эксплуатации изделия позволяет применить передачу повышенного крутящего момента, устойчивость к перегреванию, низкую способность к деформации и, следовательно, небольшую упругость. При нагрузке карбон разрушается без пластической деформации. Также он обладает высоким отношением прочности к весу по сравнению с другими материалами, например металлом или стекловолокном. Так, модуль упругости лучших «сортов» углеволокна может превышать 700 ГПа (а это нагрузка 70 тонн на квадратный миллиметр), а разрывная нагрузка может достигать 5 ГПа; [13];
  • кевларовые имеют повышенный ресурс, увеличение нагрузок и термоустойчивость. [4].

Недостатками являются:

  • безасбестовые плохо сопротивляются перегреву. Но если говорить обобщённо и для безасбестовых и асбестосодержащих, то они быстрее изнашиваются и создают большее количество пыли, при влажной погоде фрикционные свойства снижаются. Если ресурс заводского сцепления для семейного, комфортного передвижения равен примерно 60-160 тыс.км, то при повышенных динамических нагрузках, будь то тюнингованный двигатель, либо просто агрессивная езда, накладки могут "рассыпаться" уже через 10 тыс.км;
  • основным минусом карбоновых включений является длительное время изготовления, высокая стоимость материала. Ещё один недостаток особенно актуальный в России — при контакте с металлами в соленой воде углепластик вызывает сильнейшую коррозию;
  • недостатки кевлавровых изделий это необходимость обкатки и возросшая цена. Поэтому они не предназначены для городских условий, и применяются только для гоночных автомобилей. Область применения ограничивается трудностями в обработке и относительно низкой прочности сжатия.

Металлосодержащие материалы с металлической матрицей

У композиционных материалов с металлической матрицей температура изготовления обычно более высокая и матрица имеет модуль упругости на один или два порядка выше, чем у органических матриц из смол, поэтому проблемы химической и механической совместимости в этих материалах гораздо более серьезны. Возникновение вышеуказанных проблем связано со свойствами, присущими матрице и армирующему компоненту.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: высокой прочности; высокого модуля упругости; высоких вязкости и ударной вязкости; малой чувствительности к изменениям температуры или тепловым ударам; высокой поверхностной стойкости и малой чувствительности к поверхностным дефектам; высокой электро- и теплопроводности; хорошей воспроизводимости свойств, а также хорошей технологичности основы при конструировании, производстве, обработке давлением и формоизменении, соединении и окончательной механической обработке. [1]

Их можно разделить на материалы с низким содержанием металла и полуметаллические. Заодно сразу отметим достоинства и недостатки применения этих композитов.

  • С низким содержанием металла в составе. Они сделаны по той же формуле, что органические с добавлением небольшого количества (от 10 до 30 процентов) цветных металлов, как меди, или 25-35% стальных волокон, чтобы улучшить теплообмен и обеспечить лучшее торможение. Также, если внимательно присмотреться, на тормозных накладках можно заметить вкрапления волокон цветных металлов желтого и оранжевого оттенков (рис. 5). [15].
Образец колодки с содержанием цветныхметаллов и керамики.
Рисунок 5. Образец колодки с содержанием цветныхметаллов и керамики

Известно, что во фрикционном полимерном композиционном материале, состоящем из армирующего наполнителя и полимерной матрицы, предложено в качестве наполнителя использовать высокопрочное трикотажное полотно, связанное из стеклянной, базальтовой и медной нитей или из стеклянной и базальтовой, или стеклянной и медной, или из базальтовой и медной нитей так, что сохранена целостность стеклянных и базальтовых волокон. То есть совмещают полимеры с цветными металлами. [9]

Что насчёт фрикционных изделий, то в основном применяют те, что с добавлением меди. Во-первых, она обладает отличной теплопроводностью. Во-вторых, дружественна к контртелу. Являясь более мягкой, чем сталь или чугун, она способствует приработке колодки или диска сцепления, оберегая диски от задиров. В-третьих, благодаря эффекту переноса медь способствует частичному восстановлению диска, уменьшает его разнотолщинность и стабилизирует коэффициент трения. По сравнению с полуметаллическими, которые мы рассмотрим ниже, производят меньше шума и тормозной пыли.

Но есть одно «но». Медь является тяжелым металлом. Во фрикционную смесь идет не химически чистый металл, а цветной лом, латунь и бронза, том числе и свинцовистая. Попадая с продуктами износа в окружающую среду, она образует вредные оксиды и медный купорос — прекрасное средство для борьбы с садовыми вредителями. К сожалению, заодно он губит и прочую флору и фауну. В США уже действует запрет на медь во фрикционных накладках. Европейские производители автомобилей следуют примеру заокеанских коллег. А компании, выпускающие фрикционные изделия, подбирают новые ингредиенты смеси, способные заменить медь — и по теплопроводности, и по приработке, и по прочим «медным» функциям. Но производство таких фрикционов всё равно полностью не отменили, поэтому в состав добавляют самое наименьшее процентное соотношение меди или пытаются заменить другими составляющими, например как алюминий, латунь и т.д. [12]

  • С содержанием металла в фрикционном составе порядка 30-65% [10], соответственно остальное либо органические или керамические составляющие, служащие как модификаторы или связующие. Представляются нарезанной стальной проволокой или волокнами, порошком железа. В народе, фрикционные изделия с таким композитным материалом называют полуметаллические.

Достоинствами фрикционных изделий, сделанных из этого материала, являются:

  • ресурс, по сравнению материалами с низким содержанием цветных металлов и органическими, намного больше;
  • хороший коэффициент трения между фрикционной накладкой и тормозным диском, что обеспечивает короткий тормозной путь или хорошее сцепление в КПП (диапазон коэффициента трения от 0,30 до 0,45, но с учётом улучшения состава может быть и больше). Эффективность при «холодном» торможении; [10];
  • относительно большая надёжность при эксплуатации по сравнению с другими типами применяемых материалов;
  • способность сохранять коэффициент трения под воздействием высоких температур, при температурном диапазоне до 450 °С;
  • термоустойчивость и хороший теплоотвод от тормозного диска/барабана, предотвращение его от деформации при высоких температурах.

Недостатками являются:

  • относительно быстрое изнашивание контактных элементов сцепления;
  • шумность при эксплуатации фрикциона (периодический скрип);
  • обильное пылеобразование;
  • следует отметить, что теплопроводность тоже может быть недостатком, потому что при эксплуатации, например тормозных колодок(накладок) при нагреве до 500-700°С возможно закипание тормозной жидкости. Все же теплопроводность должна быть оптимальной, а не просто «низкой» или «высокой».

Керамические композиционные материалы (ККМ)

Керамические композиционные материалы имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру. Условно к керамическим композиционным материалам относят также композиты с комбинированной матрицей, содержащей тугоплавкие неметаллические частицы и частицы металла, выполняющего функцию связки.

Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие.

Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику по показателям вязкости к металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50% — керамика, а остальное — металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Одинаковая с керметами термостойкость у композитов с волокнистым упрочнителем достигается в случае, если объемная доля волокна в 3 раза меньше, чем объемная доля частиц металла в керметах.

В керамических композиционных материалах нагрузка посредством матрицы передается на волокно. В том случае если модуль упругости волокна при растяжении меньше, чем модуль матрицы, нагрузку в первую очередь воспринимает матрица. При этом увеличение объемной доли волокна приводит к снижению прочностных свойств керамики.

Для того чтобы волокнистая арматура, вводимая в матрицу, обеспечивала увеличение прочностных свойств керамики, необходимо чтобы волокна представляли собой более жесткий по сравнению с керамической матрицей материал. Другим техническим решением позволяющим повысить прочностные свойства керамики за счет введения армирующих волокон, является предварительное напряжение арматуры. Механизм термического напряжения материала реализуется при использовании волокон, имеющих коэффициент термического расширения больше, чем у матрицы. В этом случае при охлаждении системы, находившейся при повышенных температурах, в керамической матрице возникают сжимающие напряжения. Эти напряжения повышают прочностные свойства керамики, снижают склонность матрицы к растрескиванию.

Тип армирующих волокон, используемых в керамических композиционных материалах, определяется условиями работы изделий (температурой, наличием и видом агрессивной среды). В том случае если армирующими элементами служат металлические волокна, эффективность работы композитов при высоких температурах будут определять газопроницаемость керамической матрицы, наличие в ней трещин. Работоспособность таких композитов при высоких температурах зависит от свойств металлических волокон. Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации. Наиболее часто для упрочнения керамики используются волокна вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов. При увеличении объемной доли металлических волокон до 25% вязкость и термостойкость керамических композитов повышается. При дальнейшем увеличении содержания волокна возрастает пористость керамических матриц и свойства композитов снижаются. Основными технологическими процессами получения керамических композиционных материалов с металлическими волокнами являются методы горячего прессования и шликерного литья.

При разработке керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. В качестве примера композита такого типа можно отметить материал с матрицей из оксида хрома, армированной усами муллита. Керамические матрицы из оксидов Al2O3 и MgO упрочняют монокристаллами ZrO2 и MgO, имеющими игольчатую форму, а также пластинчатыми кристаллами -глинозема и Cr2O3. Оптимальная объемная доля упрочняющих элементов составляет 10…20%. Для получения композитов с пористостью матрицы менее 3% применяют технологию горячего прессования. По сравнению с неармированной горячепрессованной керамикой термостойкость отмеченных композиционных материалов в 3…5 раз выше.

Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния. Эти волокна применяются в сочетании с матрицами из боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла. Карбид кремния используется в виде моноволокон диаметром — 10… 12 мкм. Технология получения композитов такого типа основана на горячем прессовании слоев лент волокна и стеклянного порошка. Прессование осуществляют в среде аргона.

В качестве упрочняющих элементов керамических композиционных материалов могут быть использованы углеродные волокна. Для армирования керамики рекомендуется применять высокомодульные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла. [14]

Так же известен инновационный проект по производству керамического композита с применением нанотехнологий, то есть модифицирование наноразмерными компонентами. Это производство, где используются технологические процессы, в основе которых лежит механизм реакционного спекания материала заготовки — процесс жидкофазного силицирования (процесс LSI — Liquid Silicon Infiltration). В качестве заготовок обычно используют пористые полуфабрикаты, в состав которых обязательно входят углеграфитовые компоненты. В случае получения волокнисто-армированных ККМ такие полуфабрикаты дополнительно содержат армирующие углеродные или керамические волокна. В процессе жидкофазного силицирования расплав кремния под действием капиллярных сил и внешнего давления фильтруется через пористую заготовку. В результате химического взаимодействия между расплавом и углеграфитовым материалом заготовки образуется конечный продукт — карбид кремния матрицы.

Данные технологические процессы обладают рядом достоинств по сравнению с другими методами: ККМ имеют достаточно высокую прочность и теплопроводность; матрица имеет плотную, практически беспористую структуру, что приводит к минимуму образование даже микротрещин и изделии. Соответственно в таком инновационном материале наибольшими перспективами обладают использование в составе углеродных наноматериалов — фуллеренов, углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ), т.к. углеродные наноструктурные материалы, в состав которых входят частицы вещества размером менее 100 нм, обладают необычным набором механических, теплофизических, оптических, электронных и магнитных свойств.

В этом проекте наибольший интерес представляется направление, связанное с использованием ККМ в системах торможения серийных грузовых и легковых автомобилей, а также мотоциклов. Технико-экономический эффект от использования фрикционных ККМ в тормозных системах серийных автомобилей дополнительно к перечисленным выше может включать следующие аспекты: снижение неподрессоренных масс и уменьшение гироскопического эффекта; улучшение управляемости автомобилей и мотоциклов; высокий экономический эффект по сравнению с традиционными системами торможения, получаемый за счет уменьшения эксплуатационных расходов (уменьшение расходов на приобретение новых деталей и расходов, связанных с оплатой ремонта тормозной системы). Обладая высокими и стабильными триботехническими характеристиками, высокой тепло- и износостойкостью, они весят примерно на 50-75% меньше стальных, а срок эксплуатации оценивается не менее 300000 км пробега автомобиля, кроме того, экономия топлива для автомобилей при их установке оценивается до 20%. Тормозные диски и диски сцепления из ККМ уже сейчас устанавливаются на автомобилях марок AMG Mersedes, Porshe 911 Turbo, Hyundai EQUUS, Ferrari F48, Jaguar C-Type и мотoциклах Yamaha YZF-R1 и Suzuki и т. д. Отлично зарекомендовали себя тормозные диски на основе карбидокремниевого композита в спортивных болидах «Формула 1», где они оказались значительно более эффективными не только по сравнению с металлическими, но и с углерод-углеродными тормозными дисками.

В целом утверждается, что применение в серийных автомобилях и мотоциклах в качестве фрикционных материалов ККМ модифицированных наноразмерными компонентами может привести к созданию более надежных систем торможения, способных сократить путь и время торможения (особенно экстренного торможения) и, как следствие, может существенно повысить безопасность дорожного движения.

Для подтверждения эффективности этого проекта, показали график зависимости коэффициента трения от скорости, характерная для опытных образцов фрикционных материалов, приведена на рис. 6. [3]

Рисунок 6.

Это конечно всё теоретические аспекты, и думаю, на практике они тоже себя достойно покажут, когда такие эффективные композиты будут производиться уже в изделиях и появятся в продаже. Но есть много источников, которые описывают достоинства и недоставки фрикционных изделий, таких как тормозные колодки и фрикционные диски, на практике для простых водителей транспортных средств любого типа.

Достоинствами керамических фрикционных изделий являются:

  • бесшумная работа при контакте элементов сцепления, что достигается минимизацией металлической составляющей;
  • минимальный выброс пыли;
  • ресурс, по сравнению с органическими и металлосодержащими изделиями, очень большой;
  • самый наименьший износ и высокие прочностные характеристики;
  • широкий температурный диапазон: такой материал способен эффективно тормозить до 650 °С (спортивные, трековые версии демонстрируют еще более завидные показатели);
  • материал лёгкий, а соответственно уменьшается неподрессоренная масса и нагрузка на подвеску.

Недостатками считаются:

  • бытует мнение, что со временем сильно изнашиваются именно контактные элементы сцепления при взаимодействии с керамическим фрикционом, то ли от самой пыли, то ли от самих колодок, поэтому очень важен вопрос, чтобы диски торможения, что в колёсных, что и в КПП, были сделаны из прочного материала;
  • низкие фрикционные свойства при «холодном» торможении;
  • высокая стоимость материала и его производства, соответственно и самого фрикционного изделия.

Заключение

Итак, подведём итоги. При применении фрикционных изделий с определёнными композиционными материалами проявляют свои достоинства и недостатки. Они описаны выше и однозначно нельзя сказать, что есть что-то одно и самое лучшее. На мой взгляд, по эффективным эксплуатационным характеристикам можно считать композитные составы с карбоновыми, кевларловыми и керамическими волокнами, судя по их лучшим физико-механическим, термо- и износостойкости. Конечно же, существуют, множество других композиционных материалов являются не хуже, например как органические на основе природных компонентов, как на ореховой пыли, производители каждый раз стараются улучшить композиты, даже и без этих «особых» волокон, чтобы они были приемлемы в эксплуатации и в стоимости.

Но можно считать «золотой серединой» полуметаллические фрикционные изделия, как так они более стабильны для автомобилей, эксплуатируемых в городских условиях.

Читайте также

Список литературы

  1. Ананьин С.В., Ананьева Е.С., Маркин В.Б. Композиционные материалы. Учебное пособие Часть II. - Изд-во АлтГТУ, г. Барнаул, 2007 – с. 94
  2. Волокнистые композиционные материалы / [Электронный ресурс] дата добавления: 20.03.2015 / URL: http://studopedia.ru/6_63242_voloknistie-kompozitsionnie-materiali.html (дата обращения: 17.05.2016)
  3. Журнал об инновационной деятельности ИННОВАЦИИ №12 (110), декабрь, 2007 – стр. 120
  4. Кевлар / Материал из Википедии — свободной энциклопедии / [Электронный ресурс] / URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%B2%D0%BB%D0%B0%D1%80 (дата обращения: 17.05.2016)
  5. Композиционные материалы / [Электронный ресурс] / URL: 2http://www.e-plastic.ru/specialistam/composite/kompozicionnye-materialy (дата обращения: 17.05.2016)
  6. Научный журнал «Ползуновский вестник» № 4-1 2011/ Главный редактор д.т.н., проф. Максименко А.А. / Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова – стр. 217 – 222.
  7. Патентный поиск / Автор патента: Барчан Г.П. – «Композиция для фрикционного материала» / [Электронный ресурс] URL: http://www.findpatent.ru/patent/211/2117682.html (дата обращения: 17.05.2016)
  8. Патентный поиск / Авторы патента: Васильев Ю.Н., Фуголь В.А. – «Композиция для безасбестового фрикционного материала» / [Электронный ресурс] / URL: http://www.findpatent.ru/patent/200/2009149.html (дата обращения: 17.05.2016)
  9. Патентный поиск / Автор патента: Пинхасович А.В. - «Армирующий наполнитель, фрикционный полимерный композиционный материал и тормозная автомобильная колодка» / [Электронный ресурс] URL: http://www.findpatent.ru/patent/211/2117834.html (дата обращения: 17.05.2016)
  10. Руководство по выбору тормозных колодок / [Электронный ресурс] / URL: http://sungreat.ru/articles/8 (дата обращения: 17.05.2016)
  11. Состав фрикциона тормозной колодки / [Электронный ресурс] URL: http://zameni.7909904.a2hosted.com/sostav-phrikciona-tormoznoj-kolodki.html (дата обращения: 17.05.2016)
  12. Статья «Безасбестовое торможение» / [Электронный ресурс] / URL: http://www.abs-magazine.ru/article/bezasbestovoe-tormojenie (дата обращения: 17.05.2016)
  13. Статья «Все о карбоне: эпоха карбона» Авторы: Евгений Дорожкин, Сергей Саломатов / [Электронный ресурс] дата добавления: 27.03.2008 / URL: http://rusalex.ucoz.ru/publ/1-1-0-3 (дата обращения: 17.05.2016)
  14. Статья «Керамические композиционные материалы» / [Электронный ресурс] / URL: http://www.studmed.ru/docs/document25852/content (дата обращения: 17.05.2016)
  15. Статья «Тормозные колодки и технологии модификации» / [Электронный ресурс] URL: http://automediapro.ru/articles/avtokomponenty/tormoznye-kolodki-i-tehnologii-modifikatsii-/ (дата обращения: 17.05.2016)

Цитировать

Тагильцева, А.К. Рекомендации по применению композиционных составов повышенной фрикционности в тормозных колодках и дисках сцепления современных транспортных средств с целью повышения эффективности работы / А.К. Тагильцева. — Текст : электронный // NovaInfo, 2016. — № 46. — С. 1-22. — URL: https://novainfo.ru/article/6165 (дата обращения: 24.01.2022).

Поделиться