CC BY
87
w
ФАКТОРЫ СНИЖЕНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ С АБС
Папаскуа Анжела Александровна, Северо-Кавказский Федеральный университет, г. Ставрополь
E-mail: alexkat_salnikov@mail. ru
Аннотация. Исследование условий работы элементов тормозной системы автомобиля показывает, что наиболее вероятными причинами изменения их технического состояния являются изнашивание, усталостные процессы, коррозия и механические повреждения.
Ключевые слова: тормозная система автомобиля, линейный износ, интенсивность изнашивания, АБС, коррозия.
Вследствие износа, достигается предельное состояние, при котором элементы не могут выполнять требуемые функции в заданных условиях эксплуатации. Пробег до предельного состояния называется ресурсом [11, 12, 13]. Вероятность проявления и интенсивность процессов, определяющих ресурс элементов, в значительной степени зависят от условий работы сопряженных элементов и узлов. Ниже представлена взаимосвязь условий работы элементов с возможными видами изменения их технического состояния.
Анализ литературных источников и практика эксплуатации автомобилей показывают, что для основных элементов тормозной системы, таких как тормозные цилиндры, фрикционные пары тормозных механизмов, подвижные соединения тормозной педали со штоком, причиной выхода из строя является изнашивание, а усталостные, коррозионные процессы, а также старение могут выступать как сопутствующие. Изнашиванием называется процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела [1]. Виды изнашивания и основные процессы, протекающие при изнашивании определяются ГОСТ 27674 - 88 [4].
Основными характеристиками изнашивания являются: линейный износ Н (мкм), скорость и интенсивность изнашивания (линейный износ представляет собой изменение размеров тела в направлении, перпендикулярном к его
154
о
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
поверхности). При этом скорость изнашивания определяется по формуле:
Y= dH/dt (1)
а интенсивность изнашивания - по формуле
j = dH/dLjp, (2)
где LTP - относительный путь трения, на котором происходит изнашивание. Применительно к элементам автомобиля интенсивностью изнашивания часто называют величину
m=dH/dL, (3)
где L - наработка автомобиля в километрах пробега.
В некоторых случаях целесообразно пользоваться интенсивностью ^ изнашивания по массе о
Iq = AG/Lpp, (4)
или по объему
Iv = ЛГ/Ltp, (5)
где AG и А V- соответственно, масса и объем изношенного материала на пути трения LTP.
В общем случае процесс изнашивания включает три стадии: приработку, установившийся износ и аварийный износ (при достижении последней стадии дальнейшая эксплуатация элементов недопустима).
Вид и интенсивность изнашивания элементов определяется совокупностью большого числа факторов. Установка на автомобиль способствует изменению части из них. В первую очередь к ним можно отнести:
а) скорость относительного перемещения поверхностей и ее изменение во времени;
б) режим нагружения. В процессе экстренного торможения режим с квазипостоянным давлением рабочего тела в тормозной магистрали, характерный для торможения юзом, заменяется на режим поддержания экстремального проскальзывания колеса, в ходе которого давление в большинстве существующих конструкций АБС изменяется циклически с
155
а
о
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
относительно большой частотой;
в) температура в зоне трения и ее влияние на свойства трущихся поверхностей и смазочного материала. При торможении автомобиля, оснащенного АБС, вся кинетическая энергия движущегося транспортного средства сообщается тормозным механизмам, в то время, как при торможении юзом значительная часть энергии передается шинам. Таким образом, следует ожидать более высоких температур тормозных механизмов для автомобилей, оснащенных АБС. Повышение температуры в первую очередь может сказаться на изменении свойств неметаллических материалов - фрикционных накладок тормозных колодок, резиновых уплотнительных элементов тормозных цилиндров и тормозной жидкости.
г) условия смазывания. Повышение энергонагруженности тормозных механизмов и колебания поршней внутри тормозных цилиндров могут способствовать изменению смазывающих свойств тормозной жидкости.
Анализ литературных источников и исследования, показали, что в наибольшей степени среди элементов тормозной системы изнашиванию подвергаются фрикционные элементы тормозных механизмов, т.е. накладки тормозных колодок и контактирующая с ними поверхность тормозного барабана или диска.
Возможно попадание абразивных частиц (песок, пыль) в зазор пары трения. При этом в дисковые тормозные механизмы попадает больше частиц загрязнений, но в барабанных попавшие частицы задерживаются, т.к. их выход из зоны трения затруднен.
Тормозные барабаны большинства современных автомобилей отливаются
156
а
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
из алюминиевого сплава, с залитым внутрь чугунным кольцом, которое является рабочей поверхностью (зеркалом). Такая конструкция обеспечивает достаточно хороший теплоотвод и износостойкость. Тормозные диски выполняются из чугуна тех же марок. Накладки тормозных колодок изготавливают из полимерных материалов. В соответствии с новыми экологическими требованиями в настоящее время используются безасбестовые фрикционные материалы: типов ТИИР - 451, Т - 266, М - 233 - для барабанных тормозных механизмов задних колес; ТИР1Р - 260, СТД - 123 для дисковых тормозных механизмов передних колес.
Применение к перечисленным условиям теорий изнашивания И.В. Крагельского [8 - 11], Б.И. Костецкого [6, 7], Д.Н. Гаркунова [5, 5], А.В. Чичинадзе [15, 16, 18, 19], М.М. Хрущева, М.А. Бабичева [3, 17] и изучение внешнего вида изношенных поверхностей снятых с автомобилей элементов позволяет сделать вывод, что ресурс фрикционных элементов при отсутствии на автомобиле АБС определяется преимущественно процессами абразивного, окислительного и усталостного изнашивания. При этом абразивное изнашивание ^ протекает не постоянно, но характеризуется большей интенсивностью. о Абразивное воздействие могут вызывать как инородные частицы, так и продукты износа.
Практика эксплуатации автомобилей с гидравлическим тормозным приводом показывает, что основной причиной выхода из строя тормозных цилиндров является износ уплотнительных резиновых манжет, вследствие которого изменяется натяг и происходит выдавливание тормозной жидкости. Проведенное исследование рабочих поверхностей манжет показало, что механизм их изнашивания в легких условиях эксплуатации - усталостный, в тяжелых — посредством «скатывания» и абразивный.
Анализ представленного выше рабочего процесса АБС позволяет предположить, что он будет способствовать увеличению количества двойных ходов манжет внутри цилиндров, что может привести к росту пути трения и, соответственно, интенсивности изнашивания. Поскольку амплитуда перемещений элементов в процессе работы АБС в основном небольшая, велика вероятность работы манжет без перемещения, т.е. только за счет их упругой деформации. В последнем случае создаются условия для интенсивного набухания, в результате которого манжеты могут «залипать» в крайнем положении, не растормаживая колесо полностью.
Исследование условий работы ряда элементов тормозной системы показало, что изнашиванию они не подвергаются, а ресурс ограничивается процессами усталостного разрушения материала. К данной категории элементов в первую очередь относятся стяжные и оттяжная пружины, шланги, трубопроводы,
157
а
о
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
мембрана вакуумного усилителя. Поскольку функционирование АБС вызывает колебания давления в тормозном приводе при экстренном торможении, следует ожидать возрастания числа циклов изменения нагрузки на перечисленные элементы. Общий вид кривых усталостной прочности для металлических элементов и деталей из эластомеров представлен на рис. 1.
Рис. 2 Общий вид кривых усталостной прочности: 1 - металлов; 2 - эластомеров
Анализ кривой 1 на рис. 1 показывает, что рост числа циклов изменения нагрузки не должен сказаться существенным образом на усталостной прочности металлических элементов: трубопроводов и пружин. Вместе с тем,
функционирование АБС должно способствовать повышению температуры стяжных пружин, т.к. они располагаются внутри тормозных барабанов. Работа при повышенных температурах может способствовать структурным изменениям в стали, приводящим к снижению предела выносливости и, соответственно, преждевременному усталостному разрушению. Снижение ресурса стяжных пружин при установке на автомобиль АБС отмечено исследователями из Великобритании [19].
Кривая усталостной прочности для резиновых изделий (см. кривую 2 на рис. 1) не имеет выраженного горизонтального участка, следовательно, любое увеличение числа циклов изменения нагрузки будет способствовать снижению их ресурса, в той или иной степени. Таким образом, можно предположить более значительное влияние рабочего процесса АБС на усталостную прочность
158
а
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
тормозных шлангов.
Изменение давления в тормозных магистралях с достаточно большой (2-25 Гц) частотой, имеющее место в процессе функционирования АБС, должно вызвать вибрационное воздействие на элементы тормозного привода. Вибрация может способствовать ослаблению креплений трубопроводов к кузову автомобиля, самоотвинчиванию резьбовых соединений, фреттингу конических поверхностей в местах соединения трубопроводов.
Таким образом, общий анализ изменений, вносимых рабочим процессом АБС в условия работы элементов тормозной системы автомобиля показывает, что предполагаемое снижение ресурса прежде всего возможно для элементов тормозных цилиндров, фрикционных пар и тормозных шлангов. Для остальных элементов системы предполагаемые изменения менее значительны.
В большинстве случаев причиной выхода из строя элементов тормозной системы является изнашивание. Следовательно, в рамках исследования характера и степени влияния рабочего процесса АБС на ресурс элементов основную роль играют процессы, протекающие при изнашивании. Эти процессы ^ могут сопровождаться пластической деформацией, усталостными о разрушениями, набуханием, коррозией.
Литература:
1. Бухина М.Ф. Техническая физика эластомеров.-М,: Химия, 1984. - 224 с.
2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
3. Доценко В. А. Изнашивание твердых тел. - М.: Цинтихимнефтемаш, 1990. -192 с.
4. ГОСТ 27674 - 88. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения.
5. Защита от водородного износа в узлах трения / Поляков А. А., Гаркунов Д.Н. -М.: Машиностроение, 1987. - 257 с.
6. Костецкий Б.И. Механо-химические процессы при граничном трении. — М.: Наука, 1972.-170 с.
7. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. - Киев, 1970. — 395 с.
8. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
9. Крагельский И.В. и др. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. — 743 с.
10. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1984. - 278 с.
11. Крагельский И.В., Непомнящий Е.Ф. Теория износа высокоэластичных материалов. // В сборнике: Пластмассы в подшипниках скольжения
(исследования и опыт применения). - М.: Наука, 1965. - с. 49-56.
159
а
о
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
12. Кугель Р.В. Испытания на надежность машин и их элементов. - М.: Машиностроение, 1982.-243 с.
13. Лукинский B.C., Зайцев Е.И. Прогнозирование надежности автомобилей. -Л.: Политехника, 1991.-224 с.
14. Меламедов И.М. Физические основы надежности (Введение в физику отказов). - Л.: Энергия, 1970. - 332 с.
15. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Под общей ред. Чичинадзе А.В. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. - 1988. 328 с.
16. Решение задач тепловой динамики и моделирования трения и износа / Под ред. Чичинадзе А.В. - М.: Наука, 1980. - 151 с.
17. Хрущев М.М., Бабичев M.A. Абразивное изнашивание. - М.: Наука, 1970.-252 с.
18. Чичинадзе А.В. Износостойкость фрикционных полимерных материалов. -Львов, 1989.-242 с.
19. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. -М.: Наука, 1967. - 642 с.
160
