Мощенок В.И., КостинаЛ.Л.

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ТОРМОЗНЫХ БАРАБАНОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН

Повышение надежности и долговечности тормозных механизмов является одним из путей совершенствования выпускаемых строительных и дорожных машин. Для тормозных барабанов отечественного производства традиционно используют серый чугун с пластинчатым графитом СЧ 21, имеющий высокую теплопроводность и хорошие литейные свойства. Однако он не обеспечивает достаточной работоспособности тормозных механизмов, испытывающих в процессе эксплуатации высокие силовые нагрузки. Наиболее высокие характеристики по показателям прочности, теплостойкости и износостойкости у высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Однако ВЧШГ имеет более низкий, чем серый чугун (СЧ), коэффициент трения [1], и, как правило, в тормозных системах не используется. В настоящее время одним из перспективных материалов, сочетающих свойства ВЧШГ и СЧ, является высокопрочный чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) [2]. ЧВГ обладает теплопроводностью, близкой к теплопроводности серого чугуна, и после соответствующей термической обработки может иметь, в отличие от СЧ, достаточно высокую прочность. В работе исследовали ЧВГ в сравнении с СЧ 21 для выбора чугуна, имеющего достаточную прочность, теплостойкость и износостойкость при работе в паре с антифрикционным материалом тормозных накладок. Химический состав исследованных чугунов приведен в табл. 1.

Таблица 1 Химический состав исследованных чугунов

чугун	С	Si	Mn	Mg	S
CЧ 21	3,3-3,5	1,4-1,7	0,6-0,9	-	до 0,12
ЧВГ	3,0-3,3	2,2-2,6	0,5	до 0,06	до 0,04

СЧ 21 имеет перлито-ферритную структуру матрицы, до 10 % феррита, пластинчатые графитные включения, размер и расположение которых неоднородны по сечению отливки. Легирование серого чугуна марки СЧ 21 приводит к возникновению отбела в тонких сечениях (10 мм), что повышает локальную твердость и способствует повышенному износу тормозных накладок.

Сравнение эксплуатационных характеристик материалов проводили в процессе макетных испытаний на испытательном стенде фирмы Гирлинг по схеме диск-накладка. Макетные диски весом 200-220 г получали в условиях лаборатории отливкой в песчаные формы, модифицированием магниевой лигатурой ЖКМ-2. Расплав получали в индукционной печи емкостью 30 кг, на смеси возврата серого чугуна и стали с добавкой ферросилиция и электродного боя. Расплав при выпуске из печи (при температуре 1400-1410 ⁰С), модифицировали 15 % лигатуры типа ФС 30 РЗМ 30. Вторичное модифицирование проводили инмолд-процессом лигатурой ЖКМ-2 фракции 1-4 мм. Ферротитан, содержащий 30 % титана, вводили либо в шихту, либо в ковш за 10 минут до выплавки. Время заливки составляло 15-20 с. Свойства ЧВГ в литом состоянии σ_и 350-490 МПа, стрела прогиба 2,5-4,5 мм, HB 170-255. В структуре литого ЧВГ графитные включения вермикулярной формы сочетаются с шаровидными, в количестве 10, иногда до 20 %. Матрица перлито-ферритная, до 10 % феррита.

Диски испытывали на износостойкость в процессе циклического торможения в течение 2000  циклов торможения. Стендовые испытания проводили, исходя из условий работы переднего тормоза. Температура поверхности диска в начале и конце торможения составляла, соответственно, 500 и 540 ⁰С, скорость автомобиля в начале торможения принята 90 км/час, частота вращения 2500 мин^-1 . Скорость автомобиля в конце торможения принята 30 км/час, частота вращения диска 875 мин^-1 . Замедление 3 м/с², тормозной момент на стенде 0,053106 Нм. Для торможения применяли тормозные накладки из материала фирмы Ferrodo.

Величину износа оценивали весовым методом и по профилограммам поверхности опытных дисков до и после испытаний. В нашем случае профилирование до и после испытаний проводили по трем радиальным направлениям, расположенным под углом друг к другу в 120⁰. Проводили также снятие оттисков поверхности каждого диска до и после испытаний. Определяли изменение толщины тормозной накладки до и после испытаний. Температуру поверхности диска при испытании определяли скользящей термопарой.

Для дисков из серого чугуна изменение оттиска диска наблюдали примерно в 30 % случаев, дисков из ЧВГ – примерно в 11 %. Однако если количество феррита в структуре ЧВГ превышает оптимальное (составляет 40-50 %), возможно вырывание материала диска при торможении.

Проведенные испытания показали, что изменение толщины и массы тормозных накладок взаимосвязаны, изнашивание накладок зависит главным образом от эксцентриситета биения диска в вертикальной плоскости, т.е. от точности установки диска в муфте. Поэтому изменение толщины накладок не может служить показателем работы пары трения в данных условиях.

Диски из СЧ 21 и диски из ЧВГ получены с хорошим качеством исходной поверхности. Значительная неплоскостность после испытаний не характерна. Для дисков из серого чугуна изменение веса после испытаний составляет 0,02-0,20 г, площадь износа по профилограмме составляет 270-470 мкм². Изменение толщины накладки 1,08-7,80 мм, потеря массы накладки до 6,0 г. Результаты испытаний дисков из серого чугуна очень неоднородны, наилучшие результаты показывает чугун, содержащий 0,15-0,25 % титана, но при этом потеря массы накладки может составить до 3,0 г. Для дисков из ЧВГ изменение веса после испытаний составляет 0-0,20 г, площадь износа по профилограмме 120-400 мкм². Изменение толщины накладки 5,0-7,0 мм, веса накладки 3,0-4,8 г.

Недостатком макетных дисков из ЧВГ является наблюдающееся в ряде случаев сильное изнашивание периферийной части диска, т.е. при трении с наибольшими скоростями. Наиболее явно это показывает резкое снижение уровня кривой профилограммы некоторых дисков. Причиной такого изнашивания может быть нагрев дисков в области высоких скоростей трения. При переходе от макетных испытаний к реальным тормозным барабанам конструкция последних должна обеспечить более интенсивный теплоотвод на периферии тормозной поверхности, что позволит выровнять условия трения и изнашивание материала.

Выводы

Результаты работы позволяют рекомендовать для литья тормозных барабанов грузовых автомобилей высокопрочный чугун с вермикулярным графитом, легированный титаном. Оптимальное содержание титана в ЧВГ должно составлять 0,06-0,10 %, но может быть уточнено применительно к конкретным условиям эксплуатации и производства [2].

Литература

1. Справочник по чугунному литью. Под ред. Гиршовича Н.Г., Л., Машиностроение, 1978 г., с.758.

2. Солнцев Л.А., Костина Л.Л., Кропивный В.Н. Пути упрочнения нового конструкционного материала – чугуна с вермикулярным графитом. В сб.: Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий, Запорожье, 1983 г., с. 199.