Методы оценки долговечности пар трения тракторных фрикционных сцеплений

Фрикционные сцепления (ФС) широко используются в трансмиссиях тракторов и автомобилей. Однако, как показывает опыт эксплуатации, их срок службы значительно ниже других узлов трансмиссии. Основной причиной отказов ФС является повышенный износ фрикционных накладок [16]. Низкая долговечность ФС приводит к необходимости их частого ремонта. Известно [3, 5], что затраты на техническое обслуживание и ремонт машины за срок службы в 3 раза превышают стоимость трактора и в 7 разстоимость автомобиля. В связи с этим важное значение приобретают исследования, посвященные долговечности ФС. В данной работе рассматриваются только тракторные ФС, условия работы которых существенно отличаются от автомобильных [3, 5].

Существующие методы расчета ФС тракторов не позволяют прогнозировать долговечность их пар трения на стадии проектирования, а извест-— - ные методы стендовых ресурсных испытаний тракторных ФС очень часто дают результаты, существенно отличающиеся от эксплуатационных. Иногда эти результаты полностью противоречат результатам эксплуатации [5].

Жесткие ограничения габаритов при возрастании энергонагруженно-сти современных тракторов ставят перед конструкторами и исследователями, занимающихся разработкой ФС, ряд новых технических задач.

Целью работы является разработка методов оценки долговечности пар трения тракторных ФС на стадии проектирования и при ресурсных стендовых испытаниях натурных узлов.

Достижение указанной цели позволит решить актуальную техническую задачу прогнозирования долговечности пар трения ФС тракторов, что имеет важное значение для тракторной отрасли России.

В данной работе обоснованы основные параметры, определяющие на-груженность ФС тракторов в эксплуатации, и разработана методика построения их типовых режимов нагружения. Разработана математическая модель процесса буксования ФС при нарушении соосности его дисков. Предложены методы оценки долговечности пар трения ФС тракторов на стадии их проектирования и при стендовых ресурсных испытаниях натурных узлов. Достоверность основных теоретических положений, результатов и выводов работы подтверждена эксплуатационными, полевыми, стендовыми и лабораторными испытаниями ФС и их пар трения.

Работа выполнена в МГТУ «МАМИ» на кафедре «Тракторы» в течение 1980.2005 г. г.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Факторы, определяющие долговечность пар трения фрикционных сцеплений.

Долговечность пар трения ФС определяют следующие основные факторы:

Конструктивные: форма, размеры и способ крепления фрикционных накладокконструкция ведомых дисковсоотношение масс ведущих дисковконструкция нажимного механизмаусловия теплоотводатип механизма разведения дисков в двухдисковых ФСразмеры и форма ведущих дисков;

Свойства материалов пар трения;

Величина и характер действующих нагрузок',.

Влияние окружающей среды.

Влияние формы, размеров и способа крепления фрикционных накладок. Фрикционные накладки выполняются по ГОСТ 1786 в виде колец, радиальные размеры которых подбираются из условия обеспечения допустимых для данного фрикционного материала величин давления и удельной работы буксования. Однако момент трения, передаваемый ФС, при прочих равных условиях зависит не только от размеров поверхностей трения, но и от отношения внутреннего Ri и наружного R2 радиусов накладок. Если это отношение мало, то ухудшается контакт рабочих поверхностей и увеличивается неравномерность изнашивания по ширине фрикционных накладок вследствие большой разности тепловыделения по внешнему и внутреннему радиусам дисков. Завышенное отношение R1/R2 приводит к возрастанию давления и в некоторых случаях повышению интенсивности изнашивания поверхностей трения. В ФС отечественных и зарубежных тракторов и автомобилей отношение R1/R2 = 0,494.0,696, причем меньшие величины обычно соответствуют фрикционным накладкам с большим наружным радиусом [1, 2]. В некоторых конструкциях ФС на поверхностях трения фрикционных накладок выполняют пазы, предназначенные для вентиляции поверхностей трения и удаления продуктов износа. Однако, как показали стендовые испытания [3−5], их эффективность невелика. К тому же глубина канавок недостаточна для их сохранения в течение срока службы ФС и не на всех фрикционных материалах возможно их выполнение. На безасбестовых полимерных фрикционных накладках вентиляционные канавки не выполняют [5−8].

Накладки из спеченного фрикционного материала, допускающие повышенные давления и удельную работу буксования, чаще всего выполняют в виде отдельных расчлененных элементов сравнительно небольших размеров [1,5, 7−9]. При этом коэффициент взаимного перекрытия пар трения Квз уменьшается до 0,3, улучшаются условия охлаждения, что способствует стабилизации коэффициента трения и снижению изнашивания пар трения [1,5, 10−15]. Применение пар трения с Квз< 1 в ФС с асбофрикционными накладками также привела к положительным результатам [5, 12−16].

Долговечность фрикционных накладок ограничивается креплением заклепками, не позволяющими использовать всю толщину накладок, поскольку их износ допускается только до уровня головок заклепок. При этом средняя величина допустимого износа фрикционных накладок в тракторных ФС невелика и составляет 1,5.2,4 мм [5, 17]. Обычно эта величина может оказаться еще меньше вследствие возможных перекосов при постановке заклепок.

Другие способы крепления фрикционных накладок (приклеивание, приформовывание, применение самоустанавливающихся вставных вкладышей) в практике отечественного и зарубежного автотракторостроения не нашли широкого применения из-за технологических трудностей выполнения и невозможности использования всей толщины накладок вследствие недопустимого снижения усилия винтовых цилиндрических нажимных пружин при износе накладок свыше 2,5.3,5 мм [5, 16].

Применение тарельчатых пружин в сочетании с рациональным способом крепления накладок к ведомому диску, допускающим износ накладок на всю толщину, может обеспечить значительное увеличение допустимой величины износа и долговечности накладок [18].

Влияние конструкции ведомых дисков. В ФС широкое распространение получили ведомые диски с осевой податливостью, которые наряду с увеличением плавности включения способствует повышению долговечности фрикционных накладок [1, 3.5, 16, 19−22]. Однако для двухдисковых ФС такое конструктивное решение привело к противоположному результату, что в работах [1, 3, 4, 19−25] объясняется несовершенством конструкции ведомых дисков, а в работах [23−25] повышением нагру-женности поверхностей трения вследствие увеличения времени контактирования. На наш взгляд такое объяснение не совсем верно, и это можно подтвердить следующим. В ряде работ [3, 19, 26, 27] установлено, что при одинаковых конструктивных параметрах предельный момент трения однодис-кового ФС с упругими ведомыми дисками (УВД) уменьшается на 12.16%, а в двухдисковых ФС [3, 27] - на 25%. Природа этого явления установлена в работе [16]. Повышение долговечности в однодисковом ФС обеспечивается лучшим прилеганием фрикционных накладок к контртелам. При этом фрикционный контакт осуществляется по большей площади, что влечет за собой более равномерное распределение теплоты по всей поверхности без температурных вспышек, которые ведут к разрушению накладки.

З.В. Игнатьевой [28] установлено, дто на поверхностях трения дисковых тормозов существуют локальные зоны, названные контурными, в которых температура существенно превышает среднюю температуру поверхности трения. С уменьшением контурных площадей контакта пар трения на них существенно повышается температура. Известно также [5,16, 29, 31−34], что средняя температура на поверхности трения пропорциональна работе буксования. Из вышесказанного следует, что в однодисковом ФС с жесткими в осевом направлении ведомыми дисками средняя температура поверхности трения будет меньше, чем в ФС с УВД, а температура на контурной поверхности трения будет существенно больше, чем в ФС с УВД из-за худшего прилегания пар трения. Видимо в однодисковом ФС с УВД превышение температуры на контурной поверхности незначительно по сравнению со средней температурой поверхности трения, поэтому и износ накладок меньше, чем в ФС с жесткими дисками. Поскольку температура на контурных зонах поверхности трения возрастает с увеличением работы буксования и уменьшается с увеличением контурной площади контакта [28], то в двухдисковом ФС с УВД увеличение работы буксования и площади контурной зоны за счет лучшего прилегания пар трения видимо друг друга компенсируют и температура в контурной зоне остается на уровне ФС с жесткими дисками. Однако средняя температура поверхности трения в ФС с УВД выше. Поэтому, очевидно, и выше средний износ фрикционных накладок в двухдисковом ФС с УВД по сравнению с ФС, имеющим жесткие диски. Во всех без исключения работах [3, 16, 19, 20, 26, 27, 31, 35, 36] отмечается также положительное влияние УВД на состояние поверхностей трения контртел (маховика, среднего и нажимного дисков).

В ФС широкое распространение получили демпферы (гасители крутильных колебаний). Однако данных о влиянии их на работоспособность ФС еще не накоплено. Известны лишь работы С. Г. Борисова, И. М. Эглита и др. [1, 35, 37], в которых отмечается положительное влияние демпфера на долговечность ФС. Эксперименты Г. М. Щеренкова и данные фирмы Sachs (Германия) показали, что на работоспособность ФС демпфер влияния не оказывает [3]. Он способствует лишь уменьшению амплитуды крутильных колебаний в трансмиссии и смещению резонанса в область меньших частот вращения вала двигателя [5, 16, 38, 39].

В работах [5, 16, 25, 40] отмечается существенное влияние потерь осевого усилия в направляющих ведомых дисков при включении ФС на неравномерность изнашивания фрикционных накладок. Для повышения долговечности ФС авторы рекомендуют снижать величину этих потерь конструктивными и технологическими мероприятиями, к числу которых относятся увеличение диаметра шлицевого соединения, установка ведомых дисков с меньшей изгибной жесткостью металлического основания и снижение коэффициента трения в шлицевых соединениях.

Долговечность ФС может быть повышена также применением утолщенных накладок, работающих в паре с нажимным диском [1,5] или применение более износостойких накладок со стороны нажимного диска.

Влияние соотношения масс ведущих дисков Ф С. Анализ эксплуатационных данных показывает, что накладка, работающая в паре с нажимным диском, изнашивается больше накладки, контактирующей с маховиком двигателя. Авторы работ [5, 16, 41−44] отмечают, что в тракторных ФС накладки со стороны маховика в 1,4. 1,5 раза изнашиваются менее интенсивно, чем со стороны нажимного диска. На основе этого делается вывод, что интенсивность износа накладки при работе в одних и тех же условиях пропорциональна температуре ее поверхности. В автомобильных ФС было также установлено, что температура рабочей поверхности маховика в 1,5.2 раза ниже температуры рабочей поверхности нажимного диска [5, 41, 45−47]. Разная степень износа накладок объясняется меньшей массой нажимного диска по сравнению с маховиком и соответственно более интенсивным нагревом. Поэтому в автомобилестроении при конструировании ФС стремятся к выравниванию масс нажимного диска и маховика.

Возможны и другие способы выравнивания износа пар трения в ФС. Так, в США широко используются фрикционные материалы с различными физико-химическими показателями. При этом со стороны нажимного диска устанавливаются фрикционные накладки с меньшим коэффициентом трения [5, 48], что обеспечивает в этой паре относительное снижение работы буксования и тепловыделения.

Однако указанные мероприятия до настоящего времени не нашли широкого применения в отечественном автотракторостроении.

Влияние конструкции нажимного механизма. В настоящее время в ФС тракторов и автомобилей широко используются нажимные механизмы с витыми цилиндрическими периферийно расположенными пружинами. Их недостатки известны и подробно разобраны в работах [1, 5, 18]. Применение тарельчатых пружин позволяет избавиться от недостатков, присущих нажимным устройствам с витыми цилиндрическими пружинами. При этом замечено некоторое повышение долговечности фрикционных накладок за счет поддержания примерно постоянного на протяжении всего срока службы ФС давления на парах трения [5, 18, 49−51].

Влияние условий теплоотвода с поверхностей трения. Наиболее эффективным конструктивным мероприятием, существенно повышающим долговечность ФС с накладками из асбофрикци-онного и безасбестового полимерного материала, является снижение температуры поверхностей трения путем принудительной или естественной вентиляции. Так, организация принудительной вентиляции в картере ФС трактора Т-40М снизила температуру нажимного диска на 80 °C, при этом долговечность накладок, контактирующих с нажимным диском, возросла в 1,4. 1,5 раза [18, 52, 53]. Стендовые испытания ФС автомобиля «Москвич-412» с различными материалами накладок ведомого диска показали, что при снижении объемной температуры нажимного диска с 200 до 120 °C долговечность накладок повышается в 1,16. 1,91 раза [41]. Значительное повышение долговечности ФС вследствие снижения тепловой нагруженности деталей за счет естественного или принудительного теплоотвода отмечено также в работах [1, 5, 16, 30, 31, 34, 35, 54−56]. Для обеспечения доступа воздуха к рабочим поверхностям пар трения кожух и другие детали ФС снабжают окнами, прорезями и отверстиями, а фрикционные накладки — вентиляционными каналами. С целью повышения эффективности вентиляции на ведомом диске ФС устанавливают крыльчатку, кольцевые накладки заменяют секторными, а чашеобразный маховик заменяют плоским. Н. Ф. Камнев [57] для снижения тепловой нагруженности пар трения предлагает использовать в ФС специальные ведомые диски с полым стальным основанием. Экспериментально установлено, что использование таких дисков в ФС трактора Т-4А позволяет снизить температуру накладок на 20.25%. Положительное влияние принудительной вентиляции на долговечность фрикционных накладок тормозов мощных гусеничных тракторов отмечено в работе [58].

Однако снижение тепловой нагруженности ФС не всегда приводит к увеличению долговечности. Так, стендовые испытания спеченного фрикционного материала HJI-5 при напряженном тепловом режиме показали хорошие результаты по долговечности. В реальной же эксплуатации на тракторе, где температуры на поверхностях трения дисков ФС существенно ниже, чем при стендовых испытаниях, был получен обратный результат (долговечность фрикционного материала HJI-5 оказалась намного ниже, чем у серийных накладок) [18].

Влияние конструкции механизма разведения дисков в двухдисковом ФС. На неравномерность изнашивания, а, следовательно, и долговечность двухдискового ФС существенно влияет конструкция и параметры механизма разведения ведущих дисков [5, 16, 24, 25, 59, 60]. Так, например, в работах [24, 25] при замене серийного механизма разведения дисков в ФС трактора ДТ-75М на опытный износостойкость фрикционных накладок возросла в 1,4 раза.

Влияние габаритных размеров и формы ведущих д и с к о в. Из практики известно [3, 5, 61], что коробление нажимного диска при работе с серийными накладками достигает у ФС ЯМЭ-236 1,25 мм и более, ЗИЛ-130 — 0,85 мм, ГАЗ-53А — 0,12 мм и «Москвич-408» — 0,05 мм. Из приведенных данных можно заключить, что большему короблению подвержены нажимные диски больших размеров по диаметру. Поэтому при конструировании ФС следует по возможности стремиться к уменьшению радиальных размеров ведущих дисков. В то же время при увеличении толщины коробление ведущих дисков уменьшается [62]. Увеличение массы и вентилируемой поверхности ведущих дисков способствует снижению тепловой нагруженности пар трения ФС [3, 5,13, 16, 31, 34, 60].

Влияние свойств материалов пар трения. Для изготовления накладок ведомых дисков ФС в настоящее время в отечественной практике преимущественно используются асбофрикционные и безасбестовые полимерные материалы. Их составы и рабочие свойства широко освещены в литературе [1, 4, 5, 11, 33, 63, 64]. Как показали испытания [3, 4, 19, 36], коробление ведущих дисков ФС гораздо меньше при накладках меньшей твердости, когда обеспечивается большая фактическая площадь контакта и более равномерное распределение теплоты по поверхности трения. Исходя из вышесказанного, одним из важнейших требований, предъявляемых к фрикционному материалу, является обеспечение минимального коробления ведущих дисков. Этому требованию лучше удовлетворяют тканые материалы [5, 19]. При формованных накладках, обладающих повышенной твердостью, фрикционный контакт трущихся тел более дискретен, теплота распространяется через небольшие участки поверхности, что способствует повышению температуры. Появляются температурные «вспышки» и концентраторы тепловых напряжений, что вызывает коробление ведущих дисков. Формованные материалы могут работать при более высоких температурах, чем тканые [5, 19].

Однако из-за введения за рубежом ограничений на использование ас-бестосодержащих фрикционных материалов, они теряют перспективу применения для узлов трения мобильных машин.

Значительное повышение долговечности ФС может быть достигнуто за счет применения спеченных фрикционных материалов. Эти материалы имеют высокую теплопроводность, повышенную износостойкость, высокие и стабильные фрикционные свойства при различной температуре, скорости скольжения и давлении, не чувствительны к влаге и маслу [5, 21, 63, 64]. Так износостойкость спеченного материала HJI-5, испытанного при работе ФС трактора Т-40М на стенде JIT3, оказалась в 2,6 раза выше асбофрикционного шифра 56, широко используемого в отечественном тракторостроении [65]. Существенное повышение долговечности ФС с накладками из спеченного фрикционного материала при стендовых испытаниях отмечено также в работах [18, 66−68]. Однако эксплуатационные испытания накладок из материала HJI-5 на тракторе Т-40М показали долговечность более низкую, чем это можно было ожидать по результатам стендовых испытаний [18]. Установлено, что причиной такого расхождения является несоответствие тепловых режимов работы ФС.

Работоспособность ФС в значительной степени определяется выбором материала ведущих дисков. В отечественных и зарубежных ФС широко используется серый чугун, который по сравнению со сталью обладает более высокой износостойкостью и меньше изнашивает фрикционные накладки, большим коэффициентом трения и меньшим тепловым расширением [1, 63]. Однако с повышением тепловой нагруженности ФС на поверхностях трения серых чугунов при работе в паре с асбофрикционными и безасбестовыми полимерными накладками возникают коробление и трещины. Эти дефекты вызваны неравномерностью нагрева поверхностей трения и термической усталостью [1, 5, 16, 61, 63, 69]. Известно, что коробление и растрескивание ведущих дисков существенно снижает долговечность фрикционных накладок. Поэтому для изготовления ведущих дисков целесообразно применять термостойкие чугуны. К ним относятся высокоуглеродистые чугуны, содержащие в своей структуре крупные пластинчатые включения графита. На термостойкость чугуна также положительно влияют легирующие добавки марганца, хрома, никеля и магния. При этом существенно снижается коробление и уменьшается сеть трещин на поверхностях ведущих дисков, взаимодействующих с фрикционными накладками [1,5, 20, 70].

Применение спеченных фрикционных материалов несколько снижает коробление и растрескивание ведущих дисков, выполненных из серого чугуна [18]. Это объясняется повышенной теплоемкостью накладок, которые поглощают до 39% образующейся при трении теплоты. Однако, применение этих материалов требует высокой износостойкости чугуна [1, 5, 63].

Влияние величины и характера действующих нагрузок. На долговечность ФС существенно влияют величина и характер нагрузок, действующих на парах трения, которые в свою очередь зависят от вида выполняемых работ, состава машинно-тракторного агрегата (МТА), конструкции трансмиссии, ходовой системы трактора и сцепного устройства, почвенного фона и рельефа местности, на которых выполняются работы, субъективных особенностей тракториста и др. Обычно считают [5, 16, 30.34, 38, 71−76], что долговечность накладок обратно пропорциональна работе буксования ФС. При этом, если давление на парах трения не превышает допустимой величины, работоспособность накладок определяется тепловым режимом. Для тракторных ФС характерен повторно-кратковременный режим работы с числом включений в час от 8 до 360, в зависимости от вида работ, выполняемых МТА [38]. Поэтому в эксплуатации установившаяся объемная температура ведущих дисков может изменяться в значительных пределах [77].

Ряд работ [78−81] посвящено влиянию упруго-демпфирующего привода ведущих колес на долговечность ФС. Так, по экспериментальным данным А. А. Карсакова [81] этот привод позволяет уменьшить работу буксования ФС тракторов МТЗ-50 и Т-40А в 4. .7 раз при разгоне транспортного агрегата и в 7 раз при разгоне пропашного агрегата. Однако, при этом необходимо иметь в виду, что чрезмерное уменьшение жесткости привода ведущих колес приводит к появлению в трансмиссии трактора нежелательных низкочастотных колебаний большой амплитуды.

Работоспособность ФС зависит также от конструкции сцепного устройства МТА. Так, введение упругого элемента в сцепное устройство трактора при разгоне МТА обеспечивает сокращение времени и работы буксования ФС в 1,15.1,52 раза [82−84].

Долговечность ФС может быть повышена грамотной эксплуатацией МТА. Рациональное агрегатирование предупреждает чрезмерные нагрузки в ФС, возникающие при разгоне слишком тяжелого или обладающего большим тяговым сопротивлением МТА. Оптимальный темп включения ФС помогает избежать длительного буксования при замедленном и тепловых пиковых нагрузок при резком включении. С точки зрения снижения нагружен-ности ФС представляет интерес «управляемый» разгон МТА, при котором трогание осуществляется при частоте вращения вала двигателя, меньшей максимальной частоты холостого хода, а в процессе разгона тракторист увеличивает подачу топлива. Такой разгон характерен для автомобиля. При этом работа буксования ФС может быть снижена в 1,3.2 раза [18]. Положительное влияние «управляемого» разгона на долговечность ФС отмечено также в работах [85−87].

Влияние окружающей среды. Экспериментальные исследования, выполненные в ИМАШ АН РФ под руководством А.В. Чичи-надзе [32, 33, 88, 89], показали существенное влияние окружающей газовой среды на износостойкость асбополимерных фрикционных накладок. При этом отмечено, что ограничение доступа окислительной воздушной среды в зону трения или использование рабочей среды с пониженным содержанием окислителя может создать условия наименьшей интенсивности разложения полимерного связующего в накладках. При этом в качестве рабочей среды могут быть использованы выхлопные газы двигателя [5, 89].

Таким образом, в результате выполненного анализа можно сделать выводы, приведенные ниже.

1. Долговечность пар трения ФС зависит от комплекса взаимосвязанных факторов.

2. В большинстве существующих конструкциях ФС наблюдается ярко выраженная неравномерность изнашивания фрикционных накладок ведомых дисков.

3. Для каждого типа материала фрикционных накладок существуют «оптимальные условия по температуре и давлению, при которых они обладают максимальной износостойкостью.

4. С целью повышения долговечности ФС необходимо создавать оптимальные условия по давлению и температуре для фрикционных накладок на каждой паре трения, что позволит наиболее полно использовать потенциальные возможности фрикционных материалов.

7. Результаты работы используются в учебном процессе в МГТУ «МАМИ», в ВУЗах России и на предприятиях тракторной отрасли. Так методика расчета долговечности пар трения тракторных ФС вошла в учебник «Конструирование и расчет тракторов. — М.: Машиностроение, 2004. -592 с.» и энциклопедию «Машиностроение. Колесные и гусеничные машины. Т. IV-15/ Под общ. ред. В. Ф. Платонова. — М.: Машиностроение, 1997. 688 е.». Meтодика ресурсных стендовых испытаний тракторных ФС вошла в отраслевой руководящий документ РД 23.1.6−89. — М., 1989. 46 с.