Выбор материалов фрикционных механизмов

 

                                                   Министерство образования Российской Федерации     

                              САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

                                ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

                                

                                                        Механико-машиностроительный факультет

                      
 
 
 
 
 
 

Реферат

по материаловедению 

Выбор материалов фрикционных  механизмов 
 
 
 
 

Студент  гр.2045/1                                                                                               Фролова Ю.Е. 

Преподаватель                                                                                                      Жукова М.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010 г.

Оглавление 

1.Введение 3

2.Взаимосвязь  эксплуатационных  и физических свойств  фрикционных материалов 4

3.Основные  типы фрикционных  материалов 5

4.Пути  улучшения свойств  фрикционных материалов 11

Литература 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение 

    Фрикционный механизм, механизм для передачи или преобразования движения с помощью трения. К фрикционным механизмам относятся, фрикционные передачи, фрикционные муфты и тормоза, механизмы фрикционного зажима и разжима.

    Надежная работа современных машин и механизмов невозможна без применения тормозных и передаточных устройств, оснащенных износостойкими тормозными, или, как принято называть, фрикционными материалами. В связи с быстрым ростом мощностей, скоростей и нагрузок различного рода механизмов требования к фрикционным материалам непрерывно повышаются. Фрикционные узлы принадлежат к наиболее важным узлам в машинах, так как они в первую очередь определяют надежность и долговечность их работы, а во многих случаях (авиация, автомобильный транспорт) и безопасность для жизни людей.

    Фрикционные узлы – тормоза, муфты сцепления, предохранительные муфты, фрикционные передачи – работают по принципу использования сил трения.

    Наиболее важной характеристикой фрикционных материалов является способность поглощения ими энергии движения, превращения ее в теплоту и рассеяние последней в воздухе без катастрофического износа самого материалы и разрушения узлов трения.

    Фрикционные материалы должны обладать комплексом свойств, из которых основные: достаточно высокий и стабильный коэффициент трения, высокие износостойкость, теплостойкость и механическая прочность, отсутствие схватывания  [10].

    Фрикционные металлические пары (сталь-сталь, чугун-сталь, бронза-сталь), которые находят еще некоторое применение, характеризуются нестабильным коэффициентом трения, резко понижающимся с повышением температуры и скорости скольжения, склонностью к схватыванию при высоких температурах. При работе в масле металлические пары имеют слишком низкий коэффициент трения.

    Развитие технологии порошковой металлургии позволило синтезировать фрикционные материалы нового типа, отличающиеся высокими теплостойкостью фрикционными характеристиками – коэффициентом трения  износостойкостью – в самых разнообразных условиях работы фрикционных устройств. 
 
 
 
 

2.Взаимосвязь эксплуатационных и физических свойств фрикционных материалов

 

  К основным характеристикам фрикционных материалов относятся износостойкость, коэффициент трения и его стабильность в работе. Именно эти свойства, которые в дальнейшем для краткости будут называться служебными, определяют эффективность работы узла трения как конструкции, осуществляющей тормозные функции или функции передаточного устройства.

  Служебные свойства материала, в свою очередь, определяются целым комплексом других характеристик, таких как физико-механические (прочность, твердость, усталость, модуль упругости) и теплофизические (термостойкость, термоусталость, устойчивость против тепловых ударов, жаростойкость и др.), которые, правда, в отдельности не определяют однозначно работу материала в условиях эксплуатации [10]. Однако их изменение в определенных  пределах позволяет влиять на фрикционные и износные свойства в желаемом направлении.

  В настоящее время свойства фрикционных материалов подразделяются на следующие:

• физико-механические и теплофизические, определяемые в статике (модуль упругости, пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении, твердость, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент линейного расширения)
• физико-механические и теплофизические, определяемые в динамически условиях при повышенных и переменных температурах, меняющихся нагрузках и скоростях, приближающихся к условиям эксплуатации материалы (фрикционные теплостойкость, термоусталость – устойчивость против тепловых ударов, усталостная прочность)
• фрикционные (коэффициент трения, его стабильность, износостойкость), определяемые на образцах и моделях фрикционных изделий на лабораторных испытательных установках, стендах и в натурных условиях работы фрикционных пар.

Фрикционный материал должен обладать каким-то минимумом механической прочности и пластичности. Обеспечивающими отсутствие катастрофической деформации и разрушения под влиянием приложенных к нему механических нагрузок. 
 
 
 
 
 

3.Основные типы фрикционных материалов

 

3.1.Классификация фрикционных материалов по применению 

  Основными типами фрикционных материалов, предназначенных для тормозных и передаточных устройств, являются материалы на железной и медной основах. У этих материалов основным металлическим компонентом, связующим и придающим материалу конструктивную прочность, являются соответственно железо и медь. Материалы на железной основе обычно применяются для тяжелых и самых тяжелых условий работы и, как правило, используются в условиях сухого трения. Материалы на медной основе предназначены для работы в более легких условиях и применяются как в условиях сухого трения, так и при работе с жидкостной смазкой.

  Находят также широкое применение материалы, у которых связующей основой являются каучук, смолы и наполнители – порошки металлических и неметаллических составляющих. При получении этих материалов для предварительной подготовки веществ, входящих в наполнитель, также применяются методы порошковой металлургии  [10].

  Можно дать следующую классификацию областей применения фрикционных материалов:

• передаточные устройства, работающие всухую, - слабонагруженные (сельскохозяйственные тракторы, металлорежущие станки, контрольные системы в самолетах, дорожные тракторы), средненагруженные (чеканочные и штамповочные прессы, промышленный транспорт)
• тормоза для работы в условиях сухого трения – средненагруженный (автоматические, штамповочные и чеканочные прессы), тяжелонагруженные (самолеты)
• сцепления, работающие в масле, - средненагруженные (легкие автоматические трансмиссии, металлорежущие станки, сцепления управления тракторов), тяжелонагруженные (силовые трансмиссии в тракторах)
• тормоза, работающие с жидкой смазкой, - средне - и тяжелонагруженные (грузовики для работы в сельской местности).

  Основное различие между сцеплением и тормозом состоит в длительности передачи энергии: сцепление работает около 1 сек, а тормоз – 1-30 сек.

  Составы фрикционных материалов изменяются в широких пределах в зависимости от условий применения. 

  3.2 Материалы для работы в условиях сухого трения 

  Выбор материала (на железной или бронзовой основах) для применения в тех или иных узлах (дисковые тормоза, муфты сцепления автомобилей, фрикционные узлы различных приборов, реже – для колодочных и ленточных тормозов некоторых передающих устройств) определяется технической и экономической целесообразностью не только производства фрикционных деталей, но и эксплуатации узла трения в целом.

  В Советском Союзе из материалов на железной основе наибольшее распространение получили материалы ФМК-8, ФМК-11, МКВ-50А и СМК. Материал ФМК-8 был предназначен для работы в тяжелонагруженных колесных дисковых тормозах, обладающих большой энергоемкостью. Затем был разработан материал ФМК-11, превосходящий ФМК-8 по величине и стабильности коэффициента трения, но обладающий меньшей износостойкостью [6].

  Новый фрикционный материал для тяжелонагруженных дисковых тормозов – МКВ-50А, из которого в настоящее время изготавливаются накладки для дисковых тормозов ответственного назначения различных размеров. Этот материал отличается относительно высокой стабильностью механических свойств при температуре 600ºС. По величине и стабильности коэффициента трения и по износостойкости этот материал имеет преимущества перед материалами ФМК-8 и ФМК-11.

  Еще более высокие показатели фрикционных свойств достигнуты в последнее время у материалов на основе железа типа СМК. Эти материалы отличаются повышенным содержанием марганца, присутствием карбида и нитрида бора, карбида кремния и дисульфида молибдена.

  Материалы на основе железа и его сплавов, предназначенные для тяжелых условий работы, как правило, не содержат в себе окислов кремния и алюминия. С целью повышения коэффициента трения в этом случае вводятся тугоплавкие соединения типа карбидов, силицидов, нитридов. Они также характеризуются обязательным присутствием 10-25% меди.

  По-видимому, неблагоприятное влияние двуокиси кремния объяснятся тем, что при температуре около 1165-1170ºС она легко образует с окислами железа и других металлов стеклообразные соединения – силикаты [9] , а такие температуры быстро достигаются в тонких поверхностных слоях в процессе торможения.

  Материалы на основе оловянистой бронзы благодаря своей высокой износостойкости и достаточно высокому коэффициенту трения хорошо зарекомендовали себя в тормозных и передаточных устройствах различного назначения. По сравнению с материалами на основе железа они значительно меньше истирают сопряженную деталь, изготовленную из чугуна или стали.

  Материалы на бронзовой основе применяются даже для изготовления авиационных тормозных дисков [10]. В этом случае олово, входящее в состав обычных материалов этого типа, иногда заменяется титаном, ванадием, кремнием или мышьяком для предотвращения межкристаллитной коррозии, которую оно может вызвать, проникая при высоких температурах между границами зерен несущей подкладки.

  Широко используются материалы на основе оловянистой бронзы в автомобиле- и тракторостроении. Эти материалы отличаются наличием 5-10% олова, придающего металлической основе повышенную прочность; свинца и графита, играющих роль твердой смазки; железа, двуокиси кремния или кремния, повышающих коэффициент трения.

  Данные материалы способны воспринимать большие нагрузки и рекомендуются для изготовления тормозных колодок и дисков тормозов. 

  3.2 Материалы для работы в условиях жидкой смазки 

  Как уже отмечалось, широкое применение спеченных материалов в масляных фрикционных устройствах (муфтах сцепления, тормозах, фрикционах, синхронизаторах и т.д.) началось сравнительно недавно.

  Недостатком «сухих! Устройств кроме повышенного износа является резкое снижение их эффективности в случае попадания масла на трущиеся поверхности дисков, расположенных в непосредственной близости от обильно смазываемых подшипников, шестерен, валов и др.

  В последнее время в результате  создания фрикционных материалов для работы со смазкой наблюдается тенденция к увеличению применения масляных тормозных узлов, которые не требуют отделения системы их смазки от системы смазки других деталей механизмов и узлов.

  Преимущество масляных фрикционных устройств заключается в плавности включения;  высокой износостойкости и долговечности; легкости и надежности охлаждения; упрощении герметизации. Однако при замене сухой муфты масляной уменьшается фрикционная эффективность.

  В большинстве составов в качестве металлической связки используется медь, легированная оловом и (или) цинком. Наибольшее распространение  среди твердых смазок получили графит и свинец. Многие материалы в качестве фрикционных добавок содержат двуокись кремния и железо.