OCENA ZUŻYCIA CIERNEGO DLA SKOJARZEŃ PAR TYPU TARCZA HAMULCOWA - OKŁADZINA CIERNA

Transkrypt

1 Gabriel WRÓBEL 1), Małgorzata SZYMICZEK 1), Marcin STAWARZ 2) Politechnika Śląska 1) Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych 2) Katedra Odlewnictwa malgorzata.szymiczek@polsl.pl OCENA ZUŻYCIA CIERNEGO DLA SKOJARZEŃ PAR TYPU TARCZA HAMULCOWA - OKŁADZINA CIERNA Streszczenie. W pracy omówiono wpływ doboru składników na skuteczność hamowania oraz zużycie okładzin ciernych skojarzenia okładzina cierna-żeliwna tarcza hamulcowa. Prezentowane badania są kolejnym etapem badań okładzin ciernych z opracowanych mieszanek, oznaczonych symbolami A, B, C. Badania tribologiczne przeprowadzono ze stałym momentem hamowania i bez chłodzenia układu, na urządzeniu znajdującym się w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Wykorzystując aparaturę pomiarową zmierzono prędkość tarczy hamulcowej, wartości temperatur dla poszczególnych okładzin oraz objętościowy ubytek masy każdej okładziny. EVALUATION OF WEAR FRICTION ASSOCIATIONS BETWEEN PAIRS OF FRICTION-TYPE-CAST DISC BRAKE - FRICTION LINING Summary. The paper discusses the impact the selection of ingredients on the effectiveness of brake linings and the use of friction-pad combination cast iron brake disc. The present study is the next stage of research linings of the developed compound, marked as A, B, C. The testing was performed with a constant torque without braking and cooling system, the device located in the Department of Foundry, Silesian University of Technology. Using the measurement apparatus, speed of the brake disc, the value of temperature for each shoe and volume loss in weight of each pad were monitored.

2 Ocena zużycia ciernego dla skojarzeń WSTĘP Rozwój konstrukcji układów hamulcowych charakteryzuje się poszukiwaniem możliwości szybkiego odprowadzania znacznych ilości ciepła, powstających podczas pracy skojarzenia ciernego par tarcza hamulcowa okładzina cierna oraz zmniejszenia zmian wartości współczynnika tarcia pomiędzy współpracującymi elementami ciernymi w zmiennych warunkach pracy. Badania polegające na zmianie właściwości fizykomechanicznych (przewodnictwa cieplnego, odporności termicznej) materiałów ciernych z osnową polimerową są prowadzone przede wszystkim dla węzłów pracujących z intensywnym tarciem, przy którym następuje intensywne wydzielanie się ciepła w bardzo krótkim czasie. Odpowiednie właściwości eksploatacyjne i konstrukcyjne, małą gęstość, łatwość formowania wyrobów, różnorodność technik przetwarzania, a ponadto uzyskiwanie różnorodnych właściwości w zależności od zastosowanych półproduktów wyjściowych i metod przetwórczych [1-4], uzyskuje się w wyniku doboru osnowy oraz rozmaitych napełniaczy, składników włóknistych i dodatków modyfikujących. Na osnowę wykorzystuje się termo lub chemoutwardzalne materiały polimerowe, a na wzmocnienie do niedawna stosowano azbest krótkowłóknisty. Jednak ze względu na jego szkodliwość zastąpiono go sukcesywnie m.in. mieszankami z włókien organicznych, mineralnych, szklanych, ceramicznych, i metalicznych w kombinacji z wypełniaczami. Kombinacje te umożliwiają regulację wartości współczynnika tarcia w szerokim zakresie, a spadek skuteczności hamowania przy nagrzanych hamulcach (fading) jest mniejszy niż przy okładzinach zawierających azbest. Ważne są również właściwości fizyczne, np. twardość, która wpływa na charakter zużycia i topografię warstwy wierzchniej przeciwpróbki i mechanizm przenoszenia naprężeń. W przypadku wprowadzenia do materiału ciernego włókien wzmacniających lub napełniaczy proszkowych obciążenie przenoszone jest przez cząstki materiału wzmacniającego, mimo iż w czasie współpracy elementów materiał polimerowy jest usuwany w warstwie wierzchniej spomiędzy cząstek napełniacza. W ramach niniejszej pracy dokonano oceny zużycia ciernego okładzin ciernych. Okładziny poddano badaniom z uwagi na skuteczność hamowania oraz rozkład temperatury na powierzchni okładziny. Prezentowane badania są drugim etapem badań [8], w których układ pracował bez chłodzenia. Generowane ciepło w hamulcach i wzrost temperatury wywołuje termosprężyste odkształcenia elementów ciernych. Odkształcenia prowadzą do zwiększenia zróżnicowania miejscowych nacisków jednostkowych miedzy elementami par ciernych. Tworzy się zamknięty ciąg wydarzeń przyczynowo-skutkowych o charakterze niestabilnym, w którym wzrost lokalnych nacisków jednostkowych powoduje zwiększenie lokalnej intensywności generowania ciepła, podwyższenie temperatury, dalsza deformacja elementów pary ciernej i dalsze zwiększenie zróżnicowania nacisków jednostkowych [3]. Zjawisko to nazywa się niestabilnością termosprężystą i może wywołać: przyspieszoną

3 566 G. Wróbel, M. Szymiczek, M. Stawarz degradację materiału ciernego, powstanie termicznych pęknięć zmęczeniowych na powierzchniach elementów ciernych oraz okresowe obniżenie momentu hamującego zwanego fadingiem eksploatacyjnym (stopniowy, lekki zanik hamowania) lub krytycznym (nagły zanik hamowania) [5,6]. 2. PRACA WŁASNA 2.1. Cel i zakres badań Celem pracy własnej jest określenie zużycia ciernego okładzin ciernych stosowanych w klockach hamulcowych. Zużycie określono, jako ubytek masy Materiał badawczy W skład tłoczywa na okładziny klocków hamulcowych wchodzi od 12 do 22 składników w różnej postaci. Na podstawie przeglądu literatury do wykonania mieszanek przeznaczonych do badań wykorzystano takie składniki jak: żywicę fenolowo-formaldehydową, latex LBS 3060, włókna stalowe, włókna mineralne, kredę, baryt, tlenek glinu, grafit, węglik krzemu, mikę ekspandowaną, mączkę dolomitowa, mączkę kwarcowa i inne skład poszczególnych mieszanek zestawiono w tabeli 1. Przygotowano trzy różne mieszanki oznaczone, jako A, B, C różniące się udziałem wagowym poszczególnych składników. Próbki do badań zostały przygotowane zgodnie z przyjętym zakresem badań rys. 1. Rys.1. Okładzina cierna klocka hamulcowego Fig.1. Brake disc s friction lining

4 Ocena zużycia ciernego dla skojarzeń Tabela 1 Oznaczenia próbek oraz udział wagowy w % poszczególnych składników Nazwa składników Rodzaj mieszanki A B C Składniki wiążące Żywica fenolowo-formaldehydowa LO Żywica Nowolak MR Latex LBS Składniki włókniste Włókna stalowe Włókna mosiężne Włókna mineralne 8-3 Włókna aramidowe Napełniacze proszkowe Kreda 2-2 Baryt Mączka dolomitowa Mączka kwarcowa Tlenek glinu Wodorotlenek wapniowy Regulatory tarcia Czerń żelazowa 5-2 Czerwień żelazowa 3-1 Grafit 8-8 Węglik krzemu Mika ekspandowa 3-1 B mieszanka stosowana w przemyśle (brak danych ze względu na tajemnicę firmy) 2.3. Badania Badania tribologiczne przeprowadzono dwu etapowo w warunkach laboratoryjnych na próbkach oznaczonych symbolami A1, A2, B1, B2, C1, C2 (tabela 1). Badania przeprowadzono na urządzeniu [7], które zostało zaprojektowane i wykonane przez pracowników Katedry Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Podstawowe dane techniczne urządzenia do badań trybologicznych: silnik elektryczny (1,5 kw, 1470 obr/min), wypadkowa prędkość pojazdu (76,6 km/h), tarcza hamulcowa (żeliwo Zl250), siła nacisku na klocki (0,2 0,6 MPa), chłodzenie 110 l/min. Testy przeprowadzono dla dystansu 100 km. Wypadkową prędkość układu tarczy hamulcowej rejestrowano co 5 km, natomiast pomiar temperatury odbywał się w odstępie jednej sekundy. Dokonano pomiarów skuteczności

5 568 G. Wróbel, M. Szymiczek, M. Stawarz hamowania, zmian temperatur oraz zużycia poszczególnych elementów układu metodą wagową Wyniki badań Wyniki badań tribologicznych dla próbek A1, A2, B1, B2, C1, C2 pracujących w układzie bez chłodzenia są odniesione do pomiarów układu pracującego z chłodzeniem [8]. Wyniki przedstawiono w postaci wykresów: skuteczności hamowania (rys. 2), rozkładu temperatur - dla okładzin A1 i A2 (rys. 3), dla okładzin B1 i B2 (rys.4), dla okładzin C1 i C2 (rys.5.), odporność na zużycie ścierne okładzin metodą wagową (rys.6.). wypadkowa prędkość pojazdu [km/h] A1/A2 B1/B2 C1/C przebyta droga [km] Rys.2. Skuteczność hamowania dla próbek A1, A2, B1, B2, C1, C2 Fig.2. Braking effectiveness for samples A1, A2, B1, B2, C1, C2 300 temperatura okładzin [ o C ] A1 A Rys.3. Zmiany temperatur dla próbek A1, A2 Fig.3. Temperature changes for samples A1, A2 krok czasu [s]

6 Ocena zużycia ciernego dla skojarzeń temperatura okładzin [ o C ] B1 B krok czasu [s] Rys.4. Zmiany temperatur dla próbek B1, B2 Fig.4. Temperature changes for samples B1, B2 250 temperatura okładzin [ o C ] C1 C krok czasu [s] Rys.5. Zmiany temperatur dla próbek C1, C2 Fig.5. Temperature changes for samples C1, C2 0,800 0,700 Ubytek masy [ g ] 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Rys.6. Ubytek masy Fig.6. Mass decrement A1 A2 B1 B2 C1 C2 Badane próbki

7 570 G. Wróbel, M. Szymiczek, M. Stawarz 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Przeprowadzone badania trybologiczne pozwoliły na wykazanie wpływu doboru składników okładziny ciernej oraz wpływu warunków zewnętrznych na pracę skojarzonej pary ciernej. Analizując skuteczność hamowania okładzin przy chłodzeniu [8] układu można zauważyć, że w przypadku okładzin oznaczonych symbolem B1/B2 i C1/C2 występuje duży skok skuteczności hamowania. Skuteczność ta zwiększa się w miarę docierania skojarzenia osiągając największą wartość około połowy założonego cyklu badawczego tj. po przebyciu 40 km dla pary B1/B2 oraz 45 km dla pary C1/C2. Następnie skuteczność hamowania maleje (wzrasta prędkość układu), co wskazuje na powstanie cienkiej warstwy filmu grafitowego na powierzchni tarczy hamulcowej i okładzinach ciernych, który powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia. Trzecia z badanych par okładzin oznaczona symbolem A1/A2 charakteryzuje się podobną tendencją z tą jednak różnicą, że skok skuteczności hamowania w tym przypadku jest o wiele mniejszy, a maksimum osiąga pod koniec cyklu badawczego tj. po przebyciu dystansu 85 km poczym skuteczność maleje. Przechodząc do analizy wyników układu skojarzonej pary ciernej bez chłodzenia największą skuteczność hamowania zapewniają okładziny cierne oznaczone symbolami A1/A2 (rys. 2.2), dla których już po przebiegu dystansu 20 km nastąpiło całkowite zatrzymanie układu wykazując gwałtowny spadek prędkości obrotowej tarczy hamulcowej. W przypadku hamulcowych okładzin oznaczonych symbolami B1/B2 całkowite zatrzymanie układu następuje dopiero po przebytym dystansie 40 km, przy czym obserwuje się tu znacznie mniejsze spadki prędkości tarczy hamulcowej w stosunku do okładzin A1/A2. Skojarzenie par okładziny C1/C2 charakteryzuje się najmniejszą skutecznością hamowania. Podczas badań nie dochodzi do całkowitego zatrzymania układu a spadek prędkości obrotowej tarczy hamulcowej kształtuje się w granicach 14% w stosunku do pierwszego pomiaru skuteczności hamowania (rys. 2). Z powyższych rozważań wynika, że najkorzystniejszym rozwiązaniem doboru materiału okładzin ciernych są okładziny oznaczone symbolami A1/A2. Uzasadnieniem może tu być zaobserwowana stabilna praca układu dla próby z chłodzeniem, gdzie obserwuje się zbiór punktów o przebiegu prawie liniowym, natomiast przy pracy bez chłodzenia okładziny cierne oznaczone symbolami A1/A2 również wykazały dobrą skuteczność hamowania, doprowadzając do zatrzymania układu po przebytym dystansie 20 km (rys.2).

8 Ocena zużycia ciernego dla skojarzeń Analiza rozkładu temperatur wskazuje, że we wszystkich omawianych przypadkach obserwuje się różny rozkład temperatur, rejestrowany na dolnej i górnej okładzinie, co jest spowodowane specyfiką konstrukcji stanowiska badawczego. Różnicę tą z powodzeniem można potraktować, jako błąd nieistotny, powtarzalny w każdym przypadku. Analizując rozkłady temperatury dla warunków badań z chłodzeniem układu można zauważyć, że najbardziej stabilnym przebiegiem zmiany temperatury w czasie charakteryzuje się para okładzin oznaczona symbolami A1/A2 [8]. W przypadku analizy temperatury okładzin ciernych dla warunków bez chłodzenia układ oznaczony symbolami A1/A2 osiągnął najwyższą temperaturę 270 o C. Maksymalna temperatura dla okładzin oznaczonych symbolami B1/B2 po całkowitym zahamowaniu układu osiągnęła wartość 248 o C. Wynik ten jest korzystniejszy niż omawiany wcześniej, ale gdy odniesiono go do przebytego dystansu 40 km dla omawianego przypadku daje to w efekcie gorszy rezultat. Analizując temperaturę układu bez chłodzenia przy użyciu okładzin oznaczonych symbolami C1/C2 stwierdzono stały równomierny wzrost temperatury, która po przebytym dystansie 50 km osiągnęła wartość 209 o C, lecz układ nie został zatrzymany. Na tak niską temperaturę w porównaniu do wyników z badań wcześniejszych okładzin ściernych może mieć wpływ większa zawartość wełny stalowej, która powoduje lepsze odprowadzenie ciepła (rys. 5) Wyniki badań odporności na zużycie ścierne określonej metodą wagową (dla układu bez chłodzenia) wskazują, że objętościowe zużycie przy zmniejszonym dystansie (zatrzymanie układu po 20 km) dla okładzin wykonanych z mieszanki A wynosiło 173 mm 3 (próbka A1) i 163 mm 3 (próbka A2). Przy użyciu okładzin ciernych wykonanych z mieszanki B układ został zatrzymany po 40 km a zużycie wynosiło 400 mm 3 (próbka B1) i 447 mm 3 (próbka B2). Podczas badań okładzin ciernych wykonanych z mieszanki C nie odnotowano zatrzymania układu, natomiast zużycie wynosiło 185 mm 3 (próbka C1) i 152 mm 3 (próbka C2).

9 572 G. Wróbel, M. Szymiczek, M. Stawarz 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że: Skuteczność hamowania uzależniona jest od składu mieszanki. Brak chłodzenia układu pary ciernej spowodowało wzrost temperatury na powierzchni styku okładziny ciernej z tarczą hamulcową, przez co nastąpiło uplastycznienie tworzywa na styku z tarczą hamulcową, zwiększenie skuteczności hamowania i całkowite wyhamowanie układu dla okładzin wykonanych z mieszanki A po 20 km i mieszanki B po 40 km. Wysoka zawartość wełny stalowej (43%) w mieszance oznaczonej symbolem C powoduje lepsze odprowadzenie ciepła, przez co zmniejsza się destrukcja materiału wiążącego, a to powoduje mniejsze objętościowe zużycie okładzin ciernych. Badania odporności na zużycie cierne wykazały, że najmniejsze zmiany odnotowano dla mieszanki C. Istotne znaczenie przy wykonaniu okładzin ciernych ma jakość wymieszania składników oraz dobór parametrów prasowania. BIBLIOGRAFIA 1. Nosal S., Orłowski T.: TRIBOLOGIA, 2009, nr 2 s Nosal S., Orłowski T.: TRIBOLOGIA, 2007, nr 3 s Nosal S., Orłowski T.: TRIBOLOGIA, 2005, nr 3 s Nosal S., Orłowski T., Wpływ rodzaju włókien na własności kompozytowych materiałów ciernych, Materiały konferencji: New materials for adwanced applications, 2006, s Ścieszka S. F.: Hamulce cierne zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Gliwice Radom Jaworski J.: Okładziny cierne do hamulców i sprzęgieł pojazdów mechanicznych, Wydawnictwo komunikacji i Łączności Warszawa Stawarz M.: Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Nr 4, Vol 30, 2010, s Wróbel G., Szymiczek M., Stawarz M.: Własności tribologiczne wybranych kompozytów na osnowie polimerowej w druku.