Несмотря на существенные отличия в конструкции и способах использования, фрикционные узлы имеют много общего, поскольку работа любого из них основана на использовании сил трения. В то же время каждый тип фрикционных узлов имеет определенную специфику работы, которая должна учитываться при их конструировании и расчете.
Опыт проектирования и эксплуатации фрикционных узлов позволяет сформулировать ряд требований, которым они должны удовлетворять для обеспечения необходимой работоспособности и долговечности:
1. Блокировочные муфты и тормоза должны надежно обеспечивать передачу расчетного момента. В противном случае возникает скольжение, которое приводит к их перегреву и быстрому выходу из строя. Для этого максимальная величина момента трения, возникающего во фрикционном элементе, должна быть выше расчетной на некоторую величину, называемую коэффициентом запаса.
2. Фрикционные узлы должны обладать чистотой выключения. Это требование обеспечивается:
- достаточным ходом нажимного диска или концов тормозной ленты, что создает необходимый зазор между трущимися поверхностями в выключенном состоянии элемента управления;
- соблюдением допускаемых напряжений смятия в шлицевых соединениях фрикционных дисков с ведущими и ведомыми барабанами; в противном случае на шлицах появятся вмятины, которые будут препятствовать свободному перемещению дисков в осевом направлении.
3. Должен быть организован хороший теплоотвод от элементов трения, так как их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Перегрев трущихся деталей приводит к их короблению, усадке и загрязнению масла.
4. Силы нормального давления между трущимися поверхностями должны уравновешиваться внутри фрикционного узла и не должны передаваться на подшипники валов.
С точки зрения срока службы фрикционного элемента и простоты его эксплуатации важнейшие требованием является высокая износостойкость фрикционного материала, что допускает повышенные удельные давления и, следовательно, уменьшает габариты тормоза или муфты.
Вторым важным требованием является высокое значение коэффициента трения, величина которого не должна существенно зависеть от скорости скольжения, температуры, удельного давления и степени изношенности поверхностей трения. Чем выше коэффициент трения, тем меньше при прочих равных условиях габариты фрикционного узла. Все применяемые во фрикционных муфтах и тормозах материалы можно разбить на три группы:
- металлические;
- неметаллические;
- металлокерамические.
Из металлических материалов во фрикционных узлах гусеничных машин широко применяются различные стали и чугуны. Они могут работать как в одноименной паре трения (сталь-сталь), так и с другими металлическими и неметаллическими материалами (сталь-чугун, сталь-пластмасса, сталь-металлокерамика, сталь-материал на целлюлозной основе и т. д.).
Пара трения сталь-сталь отличается простотой изготовления, сравнительно высокой износостойкостью и хорошей теплопроводностью. Для изготовления фрикционных дисков применяются стали 40, 45, 65Г, 30ХГСА, У-7, У-8 и др. Иногда для повышения износостойкости поверхностей стальные диски подвергаются химико-термической обработке, например азотированию или сульфоцианированию.
При работе всухую пара сталь-сталь имеет коэффициент трения 0,25-0,5. Существенным недостатком таких пар трения следует признать их склонность к схватыванию, а также плохую прирабатываемость, в результате чего контакт по поверхности трения происходит в отдельных зонах, в которых возникает резкое повышение температуры и температурных напряжений, вызывающих коробление и усадку дисков. В связи с этим для обеспечения требуемой работоспособности пары сталь-сталь необходимо на поверхностях трения задавать сравнительно низкие значения удельного давления 0,15-0,25 мПа при трении всухую и 0,3-0,5 мПа при трении в масле.
Из неметаллических фрикционных материалов используются различные материалы на основе асбеста, которые обладают сравнительно высокой теплостойкостью (до 400-450°C) и имеют в паре со сталью или чугуном при работе всухую коэффициент трения порядка 0,3-0,5, а при работе в масле 0,06-0,08. Износостойкость таких материалов соизмерима с износостойкостью чугуна. С целью увеличения теплопроводности фрикционных накладок из асбеста их армируют латунной, медной или алюминиевой проволокой. В качестве связующих веществ при изготовлении асбестовых фрикционных материалов применяют различные смолы, а также синтетический каучук (асбокаучук). Иногда в состав таких материалов вводят различные наполнители, улучшающие их свойства. Так, окись цинка улучшает износостойкость; железный сурик повышает коэффициент трения; графит придает термостойкость; барит стабилизирует коэффициент трения.
Металлокерамические материалы, нашедшие в последнее время широкое применение во фрикционных элементах управления трансмиссий тяжелых машин, не вызывают задиров на поверхности сопряженного диска, не схватываются с ним, обладают хорошей теплопроводностью и высокими фрикционными свойствами. Основными компонентами металлокерамики являются: медь, железо, олово, свинец, цинк и графит. В зависимости оттого, какой из элементов преобладает в композиции, различают металлокерамики на медной и железной основе. Изготовляются металлокерамические изделия методом прессования порошков указанных материалов под давлением 100-600 мПа с последующим спеканием при температуре 700-800* С. Во время спекания металлокерамическая накладка прочно соединяется со стальной основой.
Хорошая прирабатываемость металлокерамики способствует тому, что в процессе трения поверхности дисков касаются друг друга почти по всей номинальной площади, в результате чего тепловые потоки равномерно распределяются по поверхностям и в дисках не возникает значительных температурных напряжений. Это обстоятельство положительно сказывается на работоспособности фрикционного узла и позволяет допустить высокие значения удельного давления на поверхности трения: до 2,0 мПа при трении всухую и до 4 мПа при трении в масле. Таким образом, металлокерамика позволяет создать наиболее компактные фрикционные узлы, что часто является решающим фактором при выборе фрикционного материала.
В таблице 9-1 представлены ориентировочные значения максимального (μmax) и минимального (μmin) коэффициента трения, а также предельные допускаемые удельные давления [q] для различных фрикционных материалов.
Таблица 9-1
| Пара трения | Сухое трение | Трение в масле | ||||
| μmin | [q], мПа | μmax | μmin | [р], мПа | μmax | |
| Сталь-сталь | 0,5 | 0,28 | 0,2-0,25 | 0,07 | 0,03 | 1.0 |
| Сталь-чугун | 0,5 | 0,25 | 0,25-0,3 | 0,07 | 0,03 | 1,2 |
| Сталь-феродо | 0,4 | 0.2 | 0,2 | — | — | — |
| Сталь-асбокаучук | 0,5 | 0,3 | 0,4 | 0,15 | 0,07 | 2,5 |
| Сталь-металлокерамика (МК2) на железной основе | 0,45 | 0,3 | 0,6 | — | — | — |
| Сталь-металлокерамика (МК5) на медной основе | — | — | — | 0,12 | 0,08 | 4,0 |
| Сталь-материал на целлюлозной основе | — | — | — | 0,12 | 0,08 | ?(240 Пси) |
Исходным условием для расчета блокировочных муфт и тормозов коробок передач является величина номинального момента М", который должен передавать фрикционный элемент. Расчетный момент определяется на основании анализа кинематической схемы трансмиссии при условии, что двигатель развивает максимальный момент. Для надежной работы фрикцион должен быть рассчитан на момент, превышающий расчетный:
MФ = βMH
где β - коэффициент запаса фрикциона; ориентировочно при трении всухую β=1,4-2,7, при трении в масле β=1,3-1,7. Меньшие значения рекомендуется принимать для легких машин, большие - для тяжелых.