1. Charakterystyka hamulcowych materiałów ciernych. Wymagania w stosunku do tych materiałów, podział badania końcowe.

Materiały cierne na elementy hamulców i sprzęgieł:

1. Materiały metalowe

1. Żeliwo szare - perlityczne drobnoziarniste 180-240 HB (bez eutektyki fosforowej)

2. Stopy aluminium z magnezem i krzemem 120 HV

3. Stale - prędkość powyżej 25 m/s. Stale węglowe - walcowane na zimno, kute i ulepszane cieplnie twardość 370 HB

4. Żeliwo stopowe (sferoidalne)

5. Stale nierdzewne (przy problemach korozyjnych) V > 100m/s. TGV - stal węglowa pokryta powłoką ceramiczną lub cermetaliczną

6. Spieki metali (spieki żelaza z miedzią, niektóre ze stopów miadzi)

2. Materiały niemetalowe

1. Materiały prasowane

a). o lepiszczu z żywicy termoutwardzalnej (fenolowej, fenolowo formaldehydowej)

b). prasowane o lepiszczu mieszanym

c). tkane materiały niemetalowe impregnowane zwykle olejami schnącymi

d). materiały organiczne - drewno, skóra, filc

e). materiały nieorganiczne

• ceramiczne

• cermetaliczne

• grafitowe

Klasyfikacja Andersona materiałów I - VI

1. Maksymalny nacisk jednostkowy

2. Maksymalna prędkość

3. Maksymalna temperatura objętościowa

4. Maksymalna temperatura powierzchniowa

Główne składniki materiałów ciernych.

1. Składniki wiążące

• żywice termoutwardzalne

• kauczuki syntetyczne (fenolowe, fenolowo formaldechydowe, modyfiowane melaminą, krezolowe)

• melaminowe

2. Składniki włókniste

• szklane

• mineralne (uzyskiwane z topienia kamienia bazaltowego)

• stalowe

• akrylowe

3. Wypełniacze

1. twarde

• elektrokorund

• korborund

• kwarc

2. miękkie

• balt

3. metale i tlenki matali

4. materiały o właściwościach smarnych

• grafit

• węgiel

• dwusiarczek molibdenu

Typowy skład samochodowych materiałów ciernych

semimetaliczne (bezazbestowe, bezstalowe)

Lepiszcze metaliczne - żywica fenolowa

Napełniacz włóknisty:

• włókna stalowe

• włókna metalowe

• włókna organiczne

• włókna nieorganiczne

Skład osnowy - Al. - 12%, Si - 5% Mg — zbrojenie SiC - 47% max. temperatura pracy 498⁰

Skład osnowy - Al. - 1%, Mg — zbrojenie Al₂O₃ max. temperatura pracy 538⁰

Materiały stosowane na tarcze hamulcowe.

• żeliwa niskostopowe (Ni - Cr - Mo)miedziowe (250 Mpa) — duza odporność na zużycie ścierne, niezadowalająca odporność na zmęczenie cieplne

• cienka warstwa żeliwa na rdzeniu staliwnym (200 - 580Mpa) — dobre własności trybologiczne warstwy ciernej, wysoka wytrzymałość rdzenia

• stal węglowa (C - 0,28%, Si - 0,55%, Mn - 0,7%)

• kompozyt węglowy zbrojony włóknem węglowym (CAC)

• kompozyt na osnowie aluminiowej z cienka powłoką molibdenową

• kompozyt o rdzeniu stalowym z cienka wielowarstwową powłoką ceramiczną

Cechy materiałów włoknistych (dodaje się kauczuki syntetyczne)

• włókno aramidowe

• włókno akrylowe

• W celu zwiększenia adhezji preparuje się silanem i lateksem.

Przebieg zużycia materiałów na hamulce w funkcji temperatury.

A - klasa IV

B - klasa II

Wymagania stawiane materiałom ciernym

1. Materiały powinny mieć stabilny i wysoki współczynnik tarcia (0,5; 0,6). Aby nie zmieniał się z temperaturą i z wilgotnością

2. Duża odporność na zużycie w szerokim zakresie zmian parametrów tarcia.

3. Brak skłonności do szczepień adhezyjnych

4. Stabilność mechaniczna, chemiczna i termochemiczna

5. Stabilność i równomierność zmian chemicznego i fazowego składu oraz struktury i innych właściwości warstwy wierzchniej

6. Odporność na korozję, wodę

7. Wysoki punkt topienia

8. Wysoki współczynnik przewodzenia ciepła

9. niski współczynnik rozszerzalności cieplnej

10. Duża wartość ciepła właściwego

11. Dobra technologiczność (obrabialność, kruchość, łatwe formowanie), dodatni gradienyt właściwości mechanicznych — małe wypadanie cząstek z okładziny

12. Anomalia materiałów na hamulce - fating

Badania końcowe materiałów ciernych

1. Sprawdzenie kształtu i wymiarów

2. Sprawdzenie wyglądu zewnętrznego

3. Sprawdzenie twardości (HK 120)

4. Sprawdzenie wartości współczynnika tarcia

5. Sprawdzenie wartości zużycia właściwego [mm³/MJ] (objętości zużycia w funkcji energii) (≈1 cm³/10⁷J)

6. Sprawdzenie gęstości (≈2 g/cm³)

7. Sprawdzenie chłonności wody

8. Sprawdzenie przyrostu grubości pod wpływem temperatury (1-3%)

9. Sprawdzenie wytrzymałości na rozciąganie (10-14 Mpa)

10. Sprawdzenie udarności z karbem (KCX) (kJ/m²)

11. Sprawdzenie odporności na wygrzewanie

12. Sprawdzenie skuteczności działania układu hamulcowego

Dopuszczalne wady na powierzchniach materiałów ciernych.

1. Wgłębienia lub miejsca nie oszlifowane na powierzchni pracującej - ogólna powierzchnia wgłębień o głębokości mniejszej od 0,5 mm nie powinna przekraczać 2% powierzchni pracującej. Wgłębienia nie powinny tworzyć skupisk.

2. Ogólna powierzchnia wad o głębokości nie większej niż 1 mm nie powinna przekraczać 3%

3. Uszkodzenia krawędzi czołowej i bocznej — ogólna długość uszkodzeń o głębokości do 2 mm nie powinna przekraczać 5%. Uszkodzeń do 0,5 mm nie należy brać pod uwagę.

4. Wtrącenia powierzchniowe — dopuszcza się wtrącenia nierozdrobnionych składników materiału o ogólnej powierzchni 1% przy czym jednostkowe wtrącenie nie może przekraczać10 mm. Wtrąceń ciał obcych nie dopuszcza się.

Materiały podlegają badaniom.

1. Badania laboratoryjne.

1. chłonność wody

2. gęstość

3. granice plastyczności przy rozciąganiu i ściskaniu

4. moduł spreżystości

5. Naprężenie zrywające

6. temp. ugięcia

7. współczynnik tarcia

8. trwałość na rozciąganie i ściskanie

9. analizy termograwimetryczne (zmiana składu chemicznego od temperatury)

10. testy trybologiczne

2. Badania stanowiskowe

Test zależności współczynnika tarcia od temperatury przy stałej sile tarcia, prędkości ślizgania

3. Test FORDA na maszynie FAST

Badanie w warunkach dynamicznie zmiennej prędkości poślizgu (tarcia statycznego)

V= const (7 m/s)

t = 70 min

Siła tarcia = const (77,5 N)

T - temperatura

4. Test stanowiskowy na bezwładnościowym dynamometrze

Test w warunkach dynamicznie zmiennej wartości poślizgu.

Badanie w warunkach ruchu przerywanego stick - slip (drgań samowzbudnych)

μ

0,2

Przebieg współczynnika tarcia

5. Badania trakcyjne

• w warunkach normalnych (w danym kraju)

• w warunkach umownych (nienormalnych o zwiększonych wymaganiach)]

m₁ - masa związana z okładziną

m₂ - masa związana z samochodem

Model ukadu ciernego tarcz ślizgacz na wsporniku kątowyn, dla którego

warunek niestabilności ½ (μ - tgΘsin2Θ>Cp/Cd

Przemieszczenia okładziny w stosunku do tarczy I model (ruch samowzbudny) — różnią się prędkościami

W ruchu drgającym harmonicznym nie ma przemieszczeń elementów.

Cechy fizyczne materiałów

1. Różnica tarcia miedzy tarciem dynamicznym a spoczynkowym — z prędkością współczynnik tarcia spada. Dla niektórych materiałów współczynnik tarcia spada a później rośnie.

μ

Q

Współczynnik tarcia od wartości nacisku

t

Q

Współczynnik tarcia w zależności od czasu narastania obciążenia

2. Przy mniejszej prędkości zmiany współczynnika tarcia są mniejsze

3. Przy mniejszych naciskach zmiany są większe.

4. Przed 300 ⁰C zwiększa się siła łącząca lepiszcza

Zużycie materiałów

Transformacja energii między okładziną, tarczą a trzecim ciałem podczas hamowania

Energia tarcia

Energia powierzchniowa

→ energia procesów wtórnych

← reakcja tribochemiczna

→ transmisja strukturalna

→ triboemisja

→ triboluminescencja

→ tribosublimacja

Drgania mechaniczne i hałas

Zmagazynowana energia odkształcenia

Termosprężystość odkształceń polega na tym, że istnieje możliwość pofalowania tarczy hamulca (bądź pęknięcia). Pofalowanie można śledzić gładkością krzywej temperatury (drgania krzywej świadczą o pofalowaniu tarczy)

Pofalowanie może być symetryczne i asymetryczne, może także wystąpić okrężne pofalowanie tarczy.

Termosprężystość objawia się także dystrybucją gorących plam

1. Wierzchołkowy

2. Zogniskowany

3. Odkształceniowy

4. Strefowy

Drgania i wibracje powodowane przez układy cierne

1. pow. 1000 Hz — pisk albo skrzypienie

2. poniżej 10 Hz — pulsacja albo trzęsienie (powodowane energią nie zamienioną na ciepło)

3. ok. 100 Hz — stukot, klekot, dudnienie (powodowane przez drgania własne elementów nadwozia.

Mechanizmy zużycia

• mechanizm ścierny (rysowanie, bruzdowanie, skrawanie)

• delaminacja (warstwa zewnętrzna po przekształceniach traci kontakt z podłożem i odrywa się

• Inicjiowanie i usuwanie warstw metalicznych (usuwany materiał pod spodem)

• Powstawanie warstw miedzi na powierzchni stalowej

Tu można wstawić rysunki struktury

4. Materiały i powłoki stosowane w produkcji pierścieni.

Materiał pierścieni

Silniki z zapłonem samoczynnym Silniki z zapłonem iskrowym

Materiał	I	II	III	I	II	III
Stal						45%
Zeliwo sferoidalne	89%			63,4%
Żeliwa specjalne (szare stopowe)		19,7%		28,4%
Żeliwo standard (szare nisko-stopowe na pierścienie tłokowe		65%	97%		92,8%	50,4%

Materiały stosowane do produkcji pierścieni tłokowych muszą spełniać wykluczające się warunki. Jako najważniejsze właściwości, które musi spełniać materiał pierścienia należy wymienić:

1. Duża wytrzymałość na zginanie

2. Możliwie nieduży moduł sprężystości wzdłużnej E

3. Duża odporność na ścieranie

4. Znaczna zwilżalność olejem powierzchni pierścienia współpracującej z gładzią cylindra oraz z powierzchniami bocznymi rowka pierścieniowego wykonanego w tłoku

5. Stabilizację modułu sprężystości wzdłużnej i kształtu postaci swobodnej pierścieni

Przykłady materiałów:

K- 12 — żeliwo szare (płatkowe) pierścienie o średnicy do 220 mm (zwiększona ilość fosforu, silnie wyeksponowana siatka steadytu)

T - 12 — do produkcji pierścieni o średnicy do 250 mm

A - 11 — do produkcji pierścieni o średnicy do 60 mm (zwiększona ilość pierwiastków stopowych)

S - 15 — o podwyższonej wytrzymałości na zginanie (ulepszane cieplnie)

S - 14 — materiał żeliwny o wysokiej wytrzymałości na zginanie

L - 11 — o wysokiej odporności na ścieranie

Charakterystyczne cechy:

1. Skład chemiczny

2. Mikrostruktura

3. Kształt i rozmiary wydzieleń grafitu

4. Osnowa

5. Eutektyka fosforowa

6. Twardość

7. Wytrzymałość na zginanie

8. Moduł sprężystości wzdłużnej

Materiały powłok pierścieni

Silniki z zapłonem samoczynnym Silniki z zapłonem iskrowym

Materiał	I	II	III	I	II	III
Chrom z fosforem	34,3%		60,5%	41,3%		52%
Chrom	33,3%%		38%	41,3%		21%
Molibden	21,2%
Plazma z fosforem	11%	15%	6,4%		92,8%	50,4%
Fosforowane	45,5%			60,6%

5. Konstrukcja pierścieni

Rodzaje pierścieni tłokowych

1. Uszczelniające

R - prostokątny

T - trapezowy

M - stożkowy

N - Noskowy

R T

TOP

M

N

ODE - daszkowy

OSH - stalowe trzyczęsciowe

Ażurowy tłoczony z blachy z ekspanderem sprężyną śrubową od Peugeota

Powierzchnie przylgowe

walcowa sferyczna torusowa

Zamki

Silników czterosuwowych dwusuwowych

Technologie wykorzystywane do produkcji pierścieni

Na pierwszy pierścień - drobny grafit — odlew kokilowy

Na drugi pierścień - duży grafit — odlew piaskowy

Profilowanie

1. Fiksacja cieplna w celu uzyskania jednakowych nacisków wywieranych na tuleję cylindra na obwodzie pierścienia

2. Toczenie kopiowe (powierzchni przylgowej nie wolno szlifować - zatarcie!)

Wykonanie półfabrykatu pierścienia:

1. Metodą cięcia z tulei

2. Odlew choinkowy

Pokrywanie powłokami - metodą konwersji

6. Materiały stosowane do prod. karoserii samochodowych

1. Blachy 0,8x ( C - 0,08%, Si - 0,06%, Mn - 0,44%, Cr, - 0,14%, Cu - 0,25%, P-0,007%,

S - 0,011%). Struktura ferrytu z wyraźnymi pasami poślizgu.

Możliwość cynkowania blach ogniowo i elektrolitycznie (cynkowo - niklowe, cynkowo

-żelazne, organiczne cynkowo - niklowe)

2StE 220P

2StE 220 BH (break hardening) — znaczna zawartość siarki i aluminium (Re ≈ 220-280 Mpa, A₅ ≈ 30%

2.Stopy aluminium z: magnezem, miedzią, krzemem (Al. - 0,6%, Mg - 0,8%, Si - 0,4%, Cu)

3. CF- FRP — kompozyty wzmacniane włóknem węglowym

4. SMC - kompozyt

Sposób kształtowania wielkogabarytowych paneli poprzez spajanie wykrojek i tłoczenie półfabrykatów

1. Wykrawanie

2. Spajanie

3. Tłoczenie

Wytwarzanie elementów karoserii samochodowych

• walcowanie na zimno

• walcowanie na gorąco (elementy podłogi)

• konserwacja

• mycie

• smarowanie

• tłoczenie

• mycie

• montaż

• lakierowanie

Kompozycja smarna

• ochrona przed korozją

• właściwości trybologiczne

• odporność na sklejanie

• zmywalność

• ściekalność

• właściwości fizykochemiczne

7. Mechanizacja w procesie technologicznym tłoczenia i charakterystyki pras.

Mechanizacja:

1. Taśmy i pasy są podawane do tłoczenia za pomocą automatycznych podajników walcowych, kleszczowych lub hakowych

2. Arkusze blach są przenoszone przez manipulatory mechaniczne

3. Zastosowanie tłoczenia przelotowego umożliwiającego spadanie wytłoczek do zasobników

4. Wykorzystanie robotów i wózków AGV do transportu wytłoczek

5. Powiązanie pras ze stanowiskami montażowymi , co umożliwia skrócenie transportu

Charakterystyka pras:

pojedynczego działania - różnią się od zwykłych pras korbowodowych dużym skokiem suwaka. Mogą być użyte do głębokich ciągów części cienkościennych przy zastosowaniu pierścienia dociskowego i poduszek pneumatycznych na stole prasy.

podwójnego działania - mają dwa układy napędzające, jeden do napędu suwaka wewnętrznego ze stemplem i drugi do napędzania dociskacza, przytrzymującego obrzeże arkusza cienkiej blachy podczas operacji wytłaczania czy wyciągania. Prasy te maja zwykle duże skoki i małe prędkości suwaka.

transferowe

A

B

200 300 400 500

Zużycie objętościowe

Współczynnik tarcia

Zawartość włókna aramidowego

10 20 30 40

Zawartość włókna aramidowego

Objętość zużycia

WSp. tarcia

100 T ⁰C

N m­₁

k

C

V₀

Tarcza

Cd

kd

Q

Np

μ

Cp

kr

Ciepło

Zmiany struktury

Temperatura

Ekspander

---