ПРИМЕНЕНИЕ ФРИКЦИОННЫХ КЕРАМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ В УЗЛАХ СЦЕПЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам повышения надежности и сроков эксплуатации высоконагруженных систем сцепления трансмиссий автотранспортной техники. Именно муфта сцепления, как правило, лимитирует ресурс и наработку между регулировками и ремонтами трансмиссий. При этом существующая тенденция, связанная с увеличением энергонасыщенности и единичной мощности транспортных средств, приводит к ужесточению условий работы муфты сцепления.

В современных автотранспортных средствах применяются различные типы сцепления. Однако наибольшее распространение получили фрикционные дисковые сцепления, которые подразделяются по виду трения – на «сухие» и работающие в масле («мокрые»), по числу ведомых дисков – одно- , двух- и многодисковые и другим характеристикам. Передача крутящего момента в таких сцеплениях осуществляется за счет сил трения нажимным, фрикционным и опорным дисками, что приводит в процессе эксплуатации к термомеханическому износу материалов пар трения. Особенно остро эта проблема встает в системах сцепления высокоскоростной и тяжелой автотехники. Поэтому важнейшей задачей обеспечения надежности и долговечности таких узлов сцепления является подбор материалов пар трения, выбор которых определяется комплексом их физико-механических, теплофизических и трибологических характеристик.

В настоящее время в тормозных и передаточных узлах и механизмах нашли применение различные фрикционные материалы: металлы (сталь и чугун); материалы на целлюлозно-бумажной основе; композиционные материалы на основе полимеров; металлокерамические материалы; материалы на основе углеродной композиции; композиционные материалы с керамической матрицей. Для каждого типа фрикционного материала характерны свои условия эксплуатации, энергонагруженности и конструктивного исполнения элемента трения.

Фрикционные материалы для дисков сцепления «сухого» трения

Для дисков сцепления, предназначенных для высокоскоростной и тяжелой гражданской или военной техники, как колесной, так и гусеничной (танки, самоходные орудия, бронетранспортеры, тягачи, трактора и т.п.), характерны высокие механические и температурные условия эксплуатации – температура дисков может достигать 600-8000С. Так, например, для дисков сцепления автомобиля Porshe Carrera GT характерны скорости вращения двигателя более 20000 оборотов в минуту и температуры трибоконтакта более 8000С [2]. Анализ показал, что из приведенного выше перечня фрикционных материалов для высоконагруженных «сухих» дисковых сцеплений можно выделить следующие типы, которые по их температурному диапазону эксплуатации в той или иной степени удовлетворяют требованиям фрикционного контакта (температура выше 8000С): металлические, композиции с металлической матрицей и композиции с углеродной (УУКМ) и керамической (КМК) матрицами.

На текущий момент времени самыми распространенными фрикционными материалами для дисков сцепления являются сталь и чугун, а для фрикционных накладок – композиты с металлической матрицей (металлокерамика). Однако, в последние годы широкое коммерческое применение в различных отраслях промышленности нашли керамоматричные композиционные материалы, армированных углеродными волокнами (УВ), главным образом на основе SiC-матрицы. Благодаря исключительно высокой твердости и стойкости к абразивному износу карбида кремния такие КМК являются одними из самых перспективных современных материалов для изделий фрикционного назначения. Фрикционные КМК имеют очень хорошие триботехнические характеристики: высокий коэффициент трения, его малую зависимость от скорости, температуры поверхности в зоне трения и погодных условий, высокую износостойкость.

Так, следует отметить, что применение дисков сцепления из КМК, полученных по технологии LSI (жидкофазного силицирования углеродсодержащих полуфабрикатов), в трансмиссии автомобиля Porshe Carrera GT (рис. 1) позволило выдерживать температуры трибоконтакта выше 8000С, уменьшить диаметр дисков на 30% с 240 до 169 мм, и, соответственно, снизить весовые показатели блока сцепления более чем на 50% с 7,6 до 3,5кг [2].

На рис. 2 приведен другой конструктивный вариант диска сцепления, где сцепление осуществляется за счет трения вставных элементов (пистонов) из КМК [1].

Одной из основных проблем применения фрикционных КМК в высоконагруженных узлах сцепления является подбор соответствующего материала контртела. Проведенный анализ показал, что наиболее эффективными фрикционными материалами в паре с КМК, с точки зрения минимальности износа, высоких значений и стабильности коэффициента трения в условиях температуры трибоконтакта выше 8000С являются сталь, металлокерамика на основе железа и КМК.

В работе [6] для пары «стальной диск  – колодка из КМК» были проведены исследования по определению триботехнических характеристик для данной фрикционной пары в условиях «сухого» трения и трения, когда образец из КМК  предварительно выдерживался в воде.  По  результатам испытаний было показано, что данная пара трения имеет высокий и стабильный коэффициент трения как в сухом, так и во влажном состоянии – 0,38 и 0,35 соответственно. А износ составлял 1,1 мкм/цикл и 0,97 мкм/цикл (0,7 мкм/цикл и 0,63 мкм/цикл) для образца из КМК и стали соответственно для сухого (влажного) трения.

В работе [7] рассматривались различные сочетания пар трения композиций с углеродной и керамической матрицами, и отмечались высокие статический и динамический коэффициенты трения пары на основе карбидокремниевого КМК армированного углеродными волокнами «КМК–КМК» и их сбалансированность по отношению к парам трения «КМК–УУКМ» и «КМК–УУКМ».

Результаты исследований по применению фрикционных пар трения «металлокерамика на основе железа – КМК» [3, 5, 10] показали их высокие и стабильные триботехнические характеристики в широких интервалах значений контактного давления, скоростей скольжения и температур на поверхности трения. Кроме того, величины износа металлокерамических фрикционных элементов были относительно небольшими, в то время как износ элементов из КМК практически отсутствовал или был минимальным.

Фрикционные материалы для дисков сцепления «мокрого» трения

Одним из основных преимуществ фрикционных «мокрых» узлов сцепления, по сравнению с «сухими» вариантами, является их надежность и долговечность, что связано с меньшим изнашиванием пар трений, лучшим отводом теплоты от них и большей стабильностью их коэффициентов трения.

При подборе материалов пар трения для «мокрых» узлов сцепления резко снижаются требования к их теплостойкости, но при этом возрастают требования к обеспечению максимального и стабильного коэффициента трения и стойкости их к минеральным маслам. Среди фрикционных материалов в высоконагруженных узлах сцепления «мокрого» типа широкое применение нашли: металлические, металлокерамика на медной и железной основах, а также композиционные материалы с полимерной и углеродной матрицей, которые мало чувствительны к свойствам масла и интенсивности теплоотвода из зоны трения.

В качестве перспективного материала для высоконагруженных узлов трения, работающих в условиях смазки рассматриваются КМК, главным образом, с SiC матрицей. В работах [8, 9] проводились трибологические исследования, для определения возможности применения дисков сцепления из КМК в танковых фрикционах в условиях «мокрого» трения. Образцы для испытаний из КМК на базе нетканых и коротких УВ были получены комбинированным технологическим способом ультразвукового введения порошка кремния в полуфабрикат из УВ, пропиткой его углеродсодержащим пеком с последующим отверждением и карбонизацией, и далее – внутренним силицированием.

Проведенные исследования показали высокие (0,114-0,126) и стабильные (85%) значения коэффициента трения КМК в паре с нержавеющей сталью 30CrSiMoVA (рис. 3), что оказалось выше, чем у пары «сталь - металлокерамика на медной основе» – (0,08-0,11) и (менее 80%) соответственно. После проведения 300 торможений у образцов из КМК износ не отмечался, в то время как у медной металлокерамики он составил 2 мкм при 100 торможениях. Как отмечается в работе [8] отсутствие износа связано с пористой поверхностью образцов из КМК, которая удерживая масло на поверхности, постоянно поддерживает тонкую смазывающую пленку между трущимися поверхностями.

Следует отметить, что применение дисков сцепления или фрикционных накладок из КМК в трансмиссиях автотехники в условиях «мокрого» трения обеспечивает их минимальных износ в случаях ухода масла или срыва смазывающей  пленки,  а  также  сильного  абразивного 

Таким образом, проведенный анализ показывает широкие перспективы применения КМК в узлах сцепления как в тяжелой  транспортной технике,  так и для многих типов высокоскоростных легковых автомобилей. Эти материалы могут рассматриваться как эффективная альтернатива традиционным фрикционным материалам в высоконагруженных системах сцепления.

Список литературы

1.   Czel B. Fe thermal analysis of a ceramic clutch / B. Czel, K. Varadi, A. Albers, M. Mitariu // Tribology International, 2009. - Vol.42. – р.714–723.

2.   Hufenbach W. Fibre reinforced ceramic matrix composites for advanced tribological applications / W.Hufenbach, C. Weimann, Q. Zheng et al. // In: Tagungsband 16-th international conference on composite materials, 2007.

3. Kermc M. Development and use of an apparatus for tribological evaluation of ceramic-based brake materials / M. Kermc, M. Kalin, J. Vizintin // Wear, 2005. - Vol.259. - p.1079–1087.

4. Newsletter of the fraunhofer high-performance ceramics alliance. Advancer, 2009. - №3. – 4р.

5.   Stadler Z. Friction and wear of sintered metallic brake linings on a C/C-SiC composite brake disc / Z. Stadler, K. Krnel, T. Kosmac // Wear, 2008. - Vol.265. - № 3-4. - р.278-285.

6. Xiao P. Preparation, properties and application of C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction / P. Xiao, Z. Li, Z. Zhu, X. Xiong // J. Mater. Sci. Technol., 2010. –Vol. 26(3). –P.283-288.

7. Xu X. Tribological behaviour of three-dimensional needled carbon/silicon carbide and carbon/carbon brake pair / X. Xu, S. Fan, L. Zhang [et al.] // Tribology International, 2014. –Vol.77. –P.7–14.

8.    Wang X. Investigation on fabrication and performance of C/C-SiC composites for tank clutch [D]. Changsha: Central South University, 2007.

9.   Wang X. Wet friction performance of C/C-SiC composites prepared by new processing route / X. Wang,C. Yin, Q. Huang [et al.] // Journal of Central South University of Technology, 2009. – Vol.16. – Iss.4. – Р.525–529.

10. Wang Y. Friction surface evolution of carbon fibre reinforced carbon/silicon carbide (Cf/C-SiC) composites / Y. Wang, H. Wu // Journal of the European Ceramic Society, 2010. - Vol.30. - №15.- р.3187–3201.

11.   www.speautomotive.com/Awards%20Modules/2004Awards/Materials/home.html