Требования к фрикционным материалам

При торможении в рабочем слое фрикционных материалов возникают следующие явления:

• — меняется микрорельеф поверхности;
• — происходят фазовые и структурные изменения;
• — осуществляются диффузионные и химические процессы;
• — возникают напряжения сжатия и растяжения;
• — понижаются механические свойства материалов;
• — развиваются процессы схватывания;
• — изменяется коэффициент трения.

В результате работы трения в поверхностном слое фрикционных материалов возникают и остаточные явления:

• — необратимые изменения микрорельефа;
• — фиксированные фазовые превращения и структурные изменения;
• — изменения химического состава;
• — остаточные напряжения в поверхностном слое;
• — устойчивое изменение механических свойств (упрочнение или разупрочнение);
• — неравномерный по поверхности трения износ;
• — коробление, усадка, трещины.

Рассмотрим условия, в которых работают фрикционные материалы, и требования, предъявляемые в соответствии с этим к ним.

Скорость начала скольжения современных фрикционных устройств изменяется в широком диапазоне — от 2−3 см/с до 50 м/с и выше. Скорость, при которой происходит размыкание у муфт, на несколько процентов ниже, чем скорость начала скольжения, а у большинства тормозов размыкание происходит при нулевой скорости. Скорость существенно влияет на мощность, работу трения и, следовательно, на температуру.

Нагрузка на узел трения также изменяется в широком диапазоне — от десятков граммов до десятков тонн. При больших нагрузках применяют многодисковые консгрукции. Различные фрикционные устройства работают при удельных нагрузках 0,8−7 МПа, однако в особо тяжелых условиях удельные нагрузки, воспринимаемые фрикционными материалами, могут достигать значительных величин (до 15 МПа).

Коэффициент трения фрикционной пары должен быть достаточным, чтобы обеспечить нужную силу трения при рабочих нагрузках на фрикционный узел. Обычно в применяемых фрикционных парах коэффициент трения 0,2 </< 0,5. Значение /зависит от нагрузки, температуры, конструктивного оформления и качества поверхности, а также от материалов фрикционной пары.

Для обеспечения долговечности фрикционной пары контакт поверхностей трения должен быть упругим или упругопластичным. В связи с этим, чтобы добиться высокой долговечности, необходимо либо создавать конструкцию с развитой поверхностью и сравнительно небольшими нагрузками на нее, либо применять фрикционные материалы с высокой износостойкостью.

Фрикционный материал должен иметь устойчивое значение коэффициента трения в процессе работы узла. Это очень важный фактор. Если с увеличением скорости (температуры) коэффициент трения будет уменьшаться, не будет обеспечиваться и эффективная работа фрикционного узла. Происходит так называемое увядание, иногда проявляющееся в тормозах, когда при длительном и повторном торможении эффективность торможения снижается. Материалы, которые необратимо теряют фрикционно-износные свойства после нагревания, нельзя использовать в качестве фрикционных.

Важной характеристикой условий эксплуатации фрикционной пары является продолжительность скольжения t_r. Следует учитывать также и температурные характеристики.

Фрикционные материалы часто работают продолжительное время при объемных температурах до +600° С. При этом температура на поверхностях трения особо тяжело нагруженных фрикционных узлов может кратковременно достигать даже +1200° С. Для снижения температуры фрикционного узла большое значение имеет температуропроводность фрикционных материалов. Обычно один или оба элемента фрикционной нары выполняют из материалов с высокой температуропроводностью (металлы, сплавы, графитовые композиции), что обеспечивает интенсивный отвод тепла от зоны трения.

Высокие требования предъявляются к износостойкости современных фрикционных материалов, работающих в условиях многократных нагревов и охлаждений. Возникающие при этом температурные напряжения значительно выше механических напряжений. Поэтому при выборе материалов фрикционной пары следует учитывать их сопротивляемость тепловой усталости (обычно интенсивность изнашивания элементов фрикционной пары нс должна превышать 10‘⁶-10'⁷).

Материалы фрикционной пары должны иметь быструю прирабатываемость (при первом торможении тормозной момент должен быть не менее 80% расчетной величины), хорошее сопротивление схватыванию в холодном и горячем состоянии, высокую влагои маслостойкость. Они не должны быть огнеопасными и иметь склонности к писку, наволакиванию и намазыванию.

Все фрикционные материалы делят на две группы: конструкционные стали (стали 10, 45); чугуны (серые); легированные стали (30 ХГСА, 65Г); нержавеющие стали (12Х18Н9Т); бронзы (БрАЖМц 10−3-1,5); спеченные фрикционные материалы (на железной, медной и алюминиевой основе); хром, титан, бериллий, молибден.

К основным неметаллическим фрикционным материалам относятся: асбофрикционный формовочный материал (на каучуковом, смоляном, комбинированном связующем); асбофрикционный эластичный материал; картонно-латексный материал; картонно-бакелитовый материал; тканебакелитовый материал; углеграфит; природные полимеры (кожа, древесина).

В табл. 5.3, с. 105 приведены рекомендуемые области применения фрикционных пар в зависимости от условий эксплуатации.

Рекомендуемые области применения фрикционных пар |4|.

Таблица 5.3.

Примечание. В скобках указаны кратковременно допускаемые значения температуры.