2. WSPÓŁCZESNE węzły TARCIA PAR CIERNYCH - HAMULCE I SPRZĘGŁA

Rys. 2. Schemat nakładkowego bębnowego hamulca samochodu 1- nakładka metalowa, 2- okładzina cierna, 3- bęben, Qn - siła nacisku na pedał hamulca, Pn - siła w cięgle podłużnym układu hamulcowego.

Specyfiką tego rozwiązania jest wpływ siły tarcia, wytwarzanej przy hamowaniu, na zmianę obrazu rozkładu nacisków normalnych na powierzchni nakładki, w stosunku do rozkładu tych nacisków wynikających z wytworzenia siły hamowania P_h /p. rys. 2/. Może tu, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego, zachodzić efekt dodatkowego "zaklinowywania" się /powiększania nacisku/, jak i efekt osłabiania /zmniejszania/ zadanych układem sterowania nacisków. Niezależnie jednak od rozwiązania konstrukcyjnego /także i w przypadku stosowania tzw. pływających nakładek/, siły normalne między nakładkami a powierzchnią walca są w różnych punktach /na długości nakładki/ różne co do wartości. Ten fakt zwraca uwagę trybologa na przyjęcie w procesie tworzenia nakładek i prowadzenie badań odpowiedniego modelu badania - takiego, który by symulował ten nierównomierny rozkład, wpływający przecież także na odpowiedni rozkładowi nacisków /i elementarnych sił tarcia/, rozkład temperatury.

3. WSPÓŁCZESNE MATERIAŁY AZBESTOWE CIERNE W WĘZŁACH TARCIA MASZYN I POJAZDÓW

Rys. 4. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa z lepiszczem kauczukowym

Rys. 5. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa azbestowo-bakelitowego

Rys. 6.Krzywa charakterystyki tarciowe -cieplnej kompozycji metaloceramicznej

Rys. 7. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa z lepiszczem fenolowoformaldehydowym; 1 - bez obróbki cieplnej, 2-po obróbce cieplnej.

Na charakter pracy styku ciernego wpływa szereg rozmaitych czynników, m.in. działania substancji otoczenia /tlen, woda, inne produkty reakcji chemicznych i fizycznych/, szczególnie na przeciwpartnera metalowego, w miejscach, w których chwilowo brak styku z elementem ciernym /intensywne szczególnie przy wolnobieżnych urządzeniach hamulcowych czy sprzęgłowych/, czas trwania ślizgania pary ciernej, sposób chłodzenia, podatność urządzenia na drgania, itp. zespół warunków pracy styku ciernego narzuca naturalnie pewne ogólne zasady doboru rozmaitych skojarzeń ciernych do konkretnych warunków pracy /zresztą i konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego/. Pogląd na tę sprawę pozwalają sobie wyrobić dane zawarte w tablicy 2.

3.1. własności FIZYKO-CHEMICZNE TWORZYW CIERNYCH

tp = t0 • exp[(u0 - g · s) k • T]
gdzie: tp - trwałość, t0 - stała czasowa /10-12...10-13. s - przyłożone naprężenie, T - temperatura, k - stała Bolzmana, »1,4 • 10-21J/°C, u0 - energia aktywacji elementarnego aktu procesu niszczenia, g - współczynnik, zależny od rodzaju materiału.

et = e0{ 1 + l[1 - exp(D ta)]}
gdzie: et - pełna deformacja w określonym momencie, e0 - chwilowa /sprężysta/ część deformacji obliczona wg prawa Hoocka, t - czas od początku badania, l = (eĄ - e0)/e0, eĄ - odkształcenie w czasie t ® Ą, D, a- reologiczne współczynniki materiału.

3.2. WYMAGANIA STAWIANE TWORZYWOM SZTUCZNYM AZBESTOWYM, CIERNYM

1. materiał cierny winien zapewniać istnienie znanej i stabilnie utrzymywanej wartości współczynnika tarcia, ze stosunkowo niedużymi wahaniami, nawet przy przechodzeniu w strefę wysokiej temperatury /wysokiego gradientu temperatury w.w./;
2. azbestowy materiał cierny winien mieć zdolność do szybkiego dopracowania /dotarcia/ się z metalowym partnerem /zarówno na powierzchni czołowej, płaskiej, jak i na cylindrycznej/;

Tablica 3 b     Fizyko-mechaniczne własności azbestowych nakładek ciernych hamulców
Własność /Parametr		Na lepiszczu		kartonowo-lateksowe	kartonowo-bakelitowe	tkaninowe bakelitowane	Spiralnie nawinięte
		kauczuk	kauczuk + żywica
Twardość, HB wg GOST 13811-68	MN/m2	250	180-260	140	380	320-330	110-120
	kG/mm2	25	18-26	14	38	32-33	11-12
Twardość, wg GOST 1786-74	MN/m2	190	220-270	190	320	280-370	110-170
	kG/mm2	19	22-27	19	32	28-37	11-17
Gęstość	kg/m3	2200	1900-2300	1600	2000	2000-2100	1500-1800
	g/cm3	2,2	1,9-2,3	1,6	2,0	2,0-2,1	1,5-1,8
Wytrzymałość:
przy ścinaniu	MN/m2	34,1	23,5-45,3	50,9	84,3	81-90,3	108,4-121,7
	kG/cm2	341	235-453	509	843	810-903	1084-1217
na ściskanie	MN/m2	88,8	62,9-110	73,0	104,3	95,2-102	37,4-56,8
	kG/cm2	888	629-1100	730	1043	952-1020	374-568
na zginanie	MN/m2	51,1	41,3-53,7	56,1	107	63,5-64,2	72,5-99,1
	kG/cm2	511	413-537	561	1070	635-642	725-991
na rozciąganie	MN/m2	34,2	18,2-35,5	11,0	54,7	18,4-18,5	13,9-27,9
	kG/cm2	342	182-355	110	547	184-185	139-279
Moduł sprężystości przy zginaniu	GN/m2	32,3	35-45	48	56	47-49	33-37
	kG/mm2	323	350-450	480	560	470-493	330-370
Jednostkowa praca udaru	kJ/m2	6,4	2,0-6,6	5,2	12,3	15,3-26,9	6,9-21,2
Współczynnik tarcia	-	0,47	0,33-0,53	0,43	0,34	0,41-0,44	0,5-0,57
Zużycie	mm	0,13	0,05-0,07	0,13	0,12	0,11	0,10-0,11
Chłonność % wody	0,3	0,3-0,6	0,3-0,6	3,0	1,3	2,2-2,6	6,2-10,1
	oleju	0,3	0,3-0,45	6,1	0,7	1,8-1,9	3,5-9,7
	benzyny	0,6	0,25-0,7	7,1	0,8	1,2-1,7	4,8-7,5
Jednostkowa pojemność cieplna	J/m °K	1130	920-1130	1090	1050	1220	1260-1340
	kcal/m,h,°C	0,27	0,22-0,27	0,26	0,25	0,29	0,30-0,32
Przewodność cieplna	W/m°K	0,51	0,42-0,48	0,35	0,35	0,44-0,45	0,38
	kcal/mh°C	0,44	0,36-0,41	0,30	0,30	0,38-0,39	0,33
Skurcz cieplny	%	0,67	0,22-0,57	0,45	0,37	0,36-0,45	0,07-0,09

3. winien wykazywać b. dużą odporność na sczepianie się z metalowym partnerem i nie metalizować się, ani nie namazywać na powierzchnię metalu;
4. winien być w pełni odpornym na działanie tłuszczów /materiały pędne i smary/ oraz na działanie korozyjne;
5. winien być mechanicznie wytrzymałym, a także odpornym na zużycie przy tarciu;
6. winien mieć określone własności fizykocieplne;
7. winien być prosty w technologii wytwarzania tłoczywa i kształtowanie elementu ciernego /klocka, nakładki, tarczy itp./ [7].

1. współczynnik stabilności współczynnika tarcia

   ast = mśr/mmax

2. współczynnik oscylacji współczynnika tarcia

   g = mmun/mmax

3. współczynnik efektywności hamowania

   bef = ast/th2
   gdzie : th - czas hamowania

4. sprowadzona efektywność hamowania

   k = n • bef/h
   gdzie: n - ilość hamowań, h - zużycie liniowe.

4. TEORIA TARCIA TWORZYW SZTUCZNYCH, CIERNYCH.
HIPOTEZY

1. przy tarciu zewnętrznym normalnym istnieje równowaga dynamiczna między procesami tworzenia struktur wtórnych, a procesami niszczenia powierzchni i warstwy wierzchniej; współczynnik tarcia zmienia się skokowo przy naruszeniu tej równowagi;
2. istnieje transformacja pracy mechanicznej w energię procesów wewnętrznych;
3. istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego, zgodny z I zasadą termodynamiki;
4. uniknięcie teksturowania warstwy wierzchniej /szczególnie przy "tarciu technicznym jest niemożliwe;
5. istnieje praca szeregu więzów /równoznaczne z działaniem sił tarcia/ tarciowych, kwalifikujących się do kilku grup:
   1. w obszarze gazohydrodynamicznym /dotyczy to także warstewki adsorbowanej/ :
      1. T₁ - wewnętrzne tarcia w warstwie granicznej oraz w cienkiej warstwie przy powierzchni,
      2. T₂ - poślizg quasihydrodynamiczny;
   2. w normalnym procesie tarcia zewnętrznego :
      3. T₃- poślizg warstwy granicznej;
      4. T₄- teksturowanie przypowierzchniowe /nm/;
      5. T₅- procesy sprężysto-drganiowe ww;
      6. T₈- współoddziaływanie molekularne pól faz stałych /Van der Valsa/;
      7. T₁₀- zewnętrzna dyssypacja energii;
      8. T₉- mechanizm uszkodzeń przez nagromadzenie uszkodzeń i dyspersję struktur wtórnych;
   3. w patologicznym procesie tarcia:
      9. T₆- deformacja makroskopowa ww, /składowa mechaniczna/;
      10. T₂- niszczenie połączeń dyfuzyjnych /składowa adhezyjna/;
      11. T₈, T₉- różne mechanizmy niszczenia makroskopowych objętości ciała w.w.

Pt = T / N = (C • M)/(N • d)
gdzie: C - współczynnik zależny od rozmiarów cząstek zużycia, M - masa zużytego materiału, N - energia przypadająca na jednostkę powierzchni tarcia, d - gęstość materiału pary trącej.

Według tej hipotezy nie można fizyki i mechanizmu tarcia zewnętrznego rozpatrywać w izolacji od jego skutków /form i cech zużycia/.
Analiza powyższych rozważań została zamieszczona w szeregu publikacji /l5/. Podamy jedynie, że a/ większa część pracy tarcia idzie na odkształcanie materiału warstwy wierzchniej, b/ znikoma część energii jest rozproszona: rozproszenie jest stosunkowo większe przy naruszeniu normalności procesu tarcia.

ET = Q + Esm + Ewe + Ep + Ed
gdzie: ET - praca sił tarcia, Q - ciepło wydzielone przy tarciu, Esm - praca przesunięć i poślizgu warstwy granicznej, Ewe - przyrost energii wewnętrznej metalu, Ep - przyrost energii powierzchniowej, Ed - energia rozproszona /zewnętrznie/.

•

Kolejnym członom w tym wzorze odpowiadają określone więzy tarciowe. Indeks "n" wskazuje na to, że zależność słuszna jest dla tarcia normalnego.

Ttw. ciernych = T4 + T5 + T8
gdzie zgodnie z : T4 - więzy dotyczące procesu teksturowania powierzchni i w.w. T5 - sprężysto~drganiowe procesy w warstwie wierzchniej. T6 - molekularne oddziaływanie pól faz stałych /także pewien sens hipotezy molekularnej/.
Można by przypuszczać, że w grę wchodzić mogą jeszcze: T4 - niszczenie więzów dyfuzyjnych, jednak chyba wyłącznie wówczas, gdy do takiej "jednoimiennej" adhezji może dojść /możliwe raczej przy parze ciernej metalowej staliwo-żeliwo/, T8 - niszczenie makroobjętości materiału warstwy wierzchniej, raczej jedynie przy gwałtownym naruszeniu warunków quasitrwałego tarcia /uznać trzeba, że wielokrotne przedeformowywanie wg Kragielskiego nie jest niszczeniem makroobjętości w pełnym słowa tego znaczeniu/.

Rys. 11. Zależność współczynnika tarcia tworzywa FK-16 µ od temperatury przy tarciu o: - żeliwo szare /a, b/ i mosiądz /c, d/. Wsp. przekrycia K2 = : 1- 1,0; 2,4 - 0,75; 3,5 - 0,5. Nacisk jednostkowy N/cm2 1, 2, 3 - 60; 4 - 80; 5 - 120.

Czasami jest to ostre obniżenie wartości wapółczynnika tarcia niemal do wartości świadczącej o istnieniu tarcie płynnego, najczęściej jest to obniżenie monotoniczne. Zauważa się także, szczególnie przy zaaplikowaniu powtarzalnych cykli badawczych na maszynach tarcia, że przebieg powtórnego badania jest inny, niż pierwotnego; materiał azbestowy cierny potrafi więc przekształcać się nieco w toku tarcia i zmieniać własności wyjściowe; jest to efekt procesów polimeryzacji, reakcji chemicznych i fizycznych między poszczególnymi składnikami tworzywa, procesów narastającego zmęczenia materiału i naruszania więzi międzycząsteczkowej itp. Charakterystyczne jest, że po każdym następnym cyklu badawczym /poddaniu działaniu ciepła w wyniku tarcia/ różnice w przebiegu charakterystyk termiczno-tarciowym są coraz mniejsze.

1. temperatura tarcia /warstwy wierzchniej/ ma różny wpływ na przebieg charakterystyki tarciowej przy różnych warunkach pracy pary tarciowej /warunkach badania/,
2. brak jednoznacznej sprecyzowanej współzależności między wartością gradientu temperatury w warstwie wierzchniej, a charakterystykami tarciowymi,
3. zauważa się bardzo istotny wpływ współczynnika przekrycia pary trącej, na wartość współczynnika tarcia i charakterystykę tarciowo-cieplną - przy czym zmniejszenie współczynnika wzajemnego przekrycia zmniejsza wartość współczynnika zmienności tarciowej stabilności cieplnej materiału trącego,
4. nie istnieje określona zależność między cieplnymi zależnościami charakterystyk wytrzymałościowych materiału i charakterystyką tarciową /wskaźniki własności mechanicznych zmieniają się wykładniczo w miarę podwyższania temperatury, natomiast charakterystyka tarciowo-cieplna może mieć bardzo różnoraki przebieg/.

1. Wraz z podwyższeniem temperatury materiału zachodzi w nich konglomerat procesów fizycznych, uwarunkowanych zwiększeniem intensywności ruchu cieplnego molekuł. W następstwie tego zjawiska obniża się twardość materiału, a także i inne wskaźniki własności mechanicznych. Powyższe zjawiska są odwracalne i zanikają przy obniżeniu temperatury. Poziom zmian wskaźników własności mechanicznych warstw wierzchnich trącego materiału zależy wyraźnie od wartości temperatury powierzchni oraz od wartości gradientu temperatury warstwy wierzchniej.

2. Przy podwyższonej temperaturze, w materiałach rozwijają się nieodwracalne procesy fizyko-chemiko-mechaniczne, prowadzące do zmiany struktury materiału i ich własności, a w następstwie do utworzenia warstwy wierzchniej o własnościach dalece odbiegających od własności materiału rdzeniowego. Jest to efekt przede wszystkim wieloskładnikowości materiału ciernego i znajdowania się w nim polimerów wchodzących w określonych warunkach temperaturowych w reakcje chemiczne /przekształcające się/, a także podatnych na chemisorpcję /na innych składowych tworzywa/.

5. ZUŻYWANIE TWORZYW CIERNYCH

5.1. UWAGI OGÓLNE

1. krótki czas trwania procesu docierania oraz zaaplikowania w tym okresie z reguły daleko surowszych warunków pracy, niż w parach metalowych /brak łagodzenia tarcia smarem, przenoszenie pełnego obciążenia uogólnionego przy występowaniu znacznie mniejszej wartości pola powierzchni rzeczywistego styku, niż w okresie ustabilizowanego zużywania/;
2. w ogóle duża intensywność zużywania, wyrażająca się wartościami o 1 do 10 rzędów więcej, niż intensywność zużywania spotykana w parach przaciwtarciowych /niskotarciowych/;
3. ogromnie zwiększona, przez b. krótki czas, intensywność zużywania, narastająca w okresie 3-cim, prowadząca bardzo szybko do destrukcji tworzywa w całej jego masie /nie tylko warstwa wierzchnia/.

5.2. SPECYFIKA ZUŻYWANIA TWORZYW CIERNYCH

1. odkształcenia sprężyste,
2. odkształcenia sprężysto-plastyczne,
3. mikroskrawanie,
4. "destrukcja" termiczna składowych elementów tworzywa;
   ta ostatnia ułatwia przede wszystkim proces mikroskrawania, także ułatwia odkształcenie plastyczne.

gdzie: k1 - mnożnik, określany konfiguracją geometryczną i rozłożeniem wysokości pojedynczych nierówności ciał trących, zwykle równy ok. 0,2; a - współczynnik przekrycia, równy ilorazowi pola powierzchni nominalnej i pola powierzchni trącej /suma pól powierzchni tarcia mikronierówności/, rzeczywistej ; pa - ciśnienie nominalne; pr - ciśnienie rzeczywiste; n - ilość cykli doprowadzających do zniszczenia odkształcanego materiału /dekohezji/; h - wysokość wgłębienia w materiał partnera mikronierówności trącego ciała; r - promień zaokrąglenia wierzchołka wgłębianej nierówności.

Intensywność zużywania /liniowa/ I₁ jest liczbą niemianowaną i równa jest ilorazowi zużycia liniowego oraz drogi tarcia /zużywania/. W przeciętnych parach tarciowych waha się ona w granicach 10^-3 - 10^-12, przy czym wartości nikłego zużywania dotyczą np. łożysk wału korbowego silnika spalinowego /10^-11 - 10^-13/, tulei cylindrów silnika /10^-10 - 10^-12, kół zębatych smarowanych /10^-10 - 10^-11/, sworzni kulistych układów kierowania samochodu /10^-9 - 10^-10, narzędzi skrawających /10^-6 - 10^-8, itp. Dla prawidłowo zaprojektowanych hamulców pojazdów /i ukształtowanych tworzyw ciernych/ intensywność zużywania wynosi na ogół 10^-5 - 10^-7, aczkolwiek w hamulcach samolotów szybkich i samochodów wyścigowych ma wartość rzędu 10^-3. Praktyka pokazuje też, że intensywność zużywanie elementów dobrych hamulców tarczowych jest mniejsza od intensywności zużywania innych hamulców /taśmowych, bębnowych itp/.

gdzie: i - odpowiednio naprężenie rzeczywiste i naprężenie niszczące przy jednokrotnym rozciąganiu, ty - parametr /wykładnik/ krzywej Wöhlera dla zmęczenia tarciowego.

Okazuje się, że wartość wykładnika t_y dla tworzyw azbestowych na osnowie żywic /fenolowych i innych/ jest niekiedy 2 i 3-krotnie wyższa, niż np. dla stali czy żeliwa. Np. dla żeliwa o wytrzymałości na rozciąganie = 6600 kG/cm² t_y osiąga wartość 4,1 , zaś dla radzieckiego tworzywa hamulcowego RETINAX - 12,6. Oznacza to, że w przypadku występowania przede wszystkim styku sprężystego materiał cierny jest odporniejszy na zmęczenie i będzie zużywał się wolniej, niż żeliwo. Zatem słuszna jest teoria Kragielskiego, mówiąca o mechanizmie zużywania tworzyw ciernych przy zachodzeniu zjawisk wielokrotnego przedeformowania tworzywa w warstwie wierzchniej w wyniku tarcia. Dekohezja następuje tutaj później, stąd duża żywotność nakładki hamulcowej mimo poddawania jej brutalnemu obciążeniu, tarciu i występowaniu bardzo wysokiej temperatury.

1. że jest to następstwo adhezyjnego sczepiania jednoimiennych metali /żelaza/ zawartych w tworzywie ciernym /azbest, czerwień żelazowa, opiłki żelazne/ oraz metalu przeciwpartnera /zwykle tarcza staliwna/; przebieg hipotetycznego przenoszenia tłumaczy wówczas teza Bowdena o sczepianiu i zrywaniu mostków sczepień, z przenoszeniem cząstek często wyrwanych z np. metalu na powierzchnię /warstwę wierzchnią/ tworzywa ciernego;
2. że jest to następstwo zwykłego mechanicznego oddziaływania procesu ścierania i wykruszania cząstek żelaza z przeciwpartnera i wtłaczania ich, a następnie rozmazywania na powierzchni /w warstwie wierzchniej/, lub też namazywania mechanicznego na powierzchni tworzywa ciernego wierzchołków nierówności przeciwpartnera, nadtopionych w wyniku wysokiej temperatury.

6. WYBRANE PROBLEMY OBLICZANIA TARCIA TWORZYW CIERNYCH

6.1. INFORMACJE OGÓLNE

1. - kierując się kryterium wytrzymałości, dobiera się możliwie najlepszy materiał przeciwtrący /metal/; odporność na zużywanie tego materiału jest proporcjonalna do jego twardości oraz do liniowego wydłużenia przy rozrywaniu;
2. - dobiera się wstępnie, na podstawie oceny charakterystyk wyrażających zależność współczynnika tarcia i intensywności zużywania tworzywa od temperatury /z reguły maksymalnej/ odpowiedni gatunek tworzywa, przebadanego uprzednio na określonej maszynie tarciowej /np. I-47/;
3. - dokonuje się wyboru /sprecyzowania/ konstrukcji węzła ciernego i wartości /zresztą nie tylko wartości/ obciążenia węzła, określa się współczynnik wzajemnego przekrycia trących partnerów oraz wymiary elementów trących /także ew. sposób chłodzenia w czasie pracy/;
4. - zestawia się i rozwiązuje równania cieplnej dynamiki tarcia, które pozwalają otrzymać - dla konkretnego węzła ciernego - zależności /zmienności siły/momentu/ tarcia, prędkości i temperatury. Ten zestaw równań - i ogólny sposób postępowania - opiszemy szerzej;
5. - dokonuje się realizacji konstrukcji węzła ciernego, bada węzeł tarcia na stanowisku badawczym /w izolacji od reszty maszyny/, a następnie wprost w maszynie, w badaniach eksploatacyjnych.

6.2. RÓWNANIA CIEPLNE DYNAMIKI TARCIA

	/6.1/
gdzie: V- prędkość tarcia w danym momencie; V0 - prędkość początkowa; Aa - nominalna powierzchnia etyku /tarcia/; Wt - praca tarcia; ft - współczynnik tarcia; pt - ciśnienie; t - czas.

1. równania dynamiki /p. równanie 6.l/:
2. zależności zmiany współczynnika tarcia od temperatury /6.2/ otrzymanej w wyniku badań, zunifikowanych, na standardowej maszynie tarcia PTM6-60;
3. prawa zmiany ciśnienia /nacisku jednostkowego /6,3/;
4. średniej temperatury tarcia na trącym styku /6.4/;
5. temperatury piku na wierzchołku nierówności /6.5/;
6. temperatury objętościowej trącego materiału przy n - tym hamowaniu /6.6/;
7. zależności twardości słabszego elementu składowego pary trącej od temperatury /6.7/ /tzw. gorąca twardość/;
8. prawa zmiany temperatury na rzeczywistych polach styku trących ciał /6.8/, określonych współczynnikiem "K".

	/6.2/
gdzie: K1, 2, 3 - współczynnik; fo - współczynnik tarcia przy temperaturze otoczenia; S J - sumę temperatur: wierzchołka nierówności powierzchni /pik/, objętościową próbki, powierzchni próbki, objętościową metalu itp.

	/6.3/
gdzie: No - nacisk rzeczywisty w temperaturze otoczenia;

	/6.4/
gdzie: atp - współczynnik rozdziału potoków cieplnych; Aak - powierzchnia nominalna styku; Aai -powierzchnia rzeczywistego styku; ft - współczynnik tarcia; pt - nacisk jednostkowy; Vt - prędkość tarcia; a - szerokość powierzchni; b - grubość warstwy trącej; l - współczynnik przewodzenia ciepła,

	/6.5/
gdzie: Apik - powierzchnia rzeczywista pól "pików" /gdzie występują chwilowe pikowe temperatury/.

	/6.6/
gdzie: K - współczynnik; G - ciężar badanego elementu; Ci - ciepło właściwe.

	/6.7/
gdzie: m - współczynnik zależny od kształtu badanego elementu, HB20 - twardość w temp. +20°C.

	/6.8/
gdzie: = · l - względny współczynnik oddawania ciepła.

1. rozwiązanie równań i uzyskania informacji pozwalających programować z dużym prawdopodobieństwem cechy pracy węzła tarcia /np. charakterystyki tarciowe konkretnego hamulca z konkretnym tworzywem azbestowo-ciernym/ bazują na laboratoryjnym eksperymencie tarciowo-zużyciowym, realizowanym wg określonego programu na znormalizowanej testowej maszynie tarcia [1][2]. Jak wiadomo, przenoszenie wyników badań laboratoryjnych /"pierwiastkowych"/ na konkretne konstrukcyjnie węzły tarcia jest bardzo zawodne, niemal niemożliwe, zaś nawet pełne badania stanowiskowe czasami dają informację, które nie potwierdzają się w eksploatacji /badaniach eksploatacyjnych/. Przy wykorzystaniu równań cieplnej teorii tarcia - jak twierdza Autorzy teorii - można na podstawie badań "pierwiastkowych" materiału i zastosowaniu obliczań /komputerowych/ osiągnąć rezultaty /wykreślenie charakterystyk - p. rys. 12/ nie odbiegające od wyników badań całego konkretnego hamulca więcej niż kilka %;

   Rys.12. Zmiany temperatury powierzchni tarcia /1/ i momentu tarcia /hamowania ?2/ w kolejnych hamowaniach /krzywe rysowane linią ciągłą- wyniki obliczeń krzywe rysowane linią przerywaną - wyniki eksperymentu/

2. zastosowanie teorii wymaga przeprowadzenia badań testowych na znormalizowanej maszynie tarcia /zdjęcie charakterystyk tarciowych przy różnych wariantach obciążeń i prędkości oraz zastosowań odpowiednich cykli badawczych/, a następnie przetworzenia wyników przy użyciu komputera /obliczenie skomplikowane i długotrwałe/ przy zastosowaniu odpowiedniego programu, specjalnie opracowanego. Nie mogą być więc one szerzej realizowane przez biuro konstrukcyjne bez współpracy ze specjalistyczną jednostką badawczą, trybologiczną.

7. WSPÓŁCZESNY STAN INŻYNIERII TWORZYW CIERNYCH

7.1. KOMPONOWANIE TŁOCZYW

1. docelowo - stworzenia skutecznego tworzywa, co najmniej tak skutecznego jak Textar czy Jurid /których pewne szczegóły produkcji okryte są tajemnicą/;
2. dla osiągnięcia tego, poszukiwań właściwych lepiszczy, nowych napełniaczy oraz właściwych proporcji składników i warunków produkcji.

1. wstępne określenie przydatności poszczególnych składników - na zasadzie określenia ich odporności na temperaturę /w sensie ubytku masy/ - przez ocenę deriwatograficzną;
2. określenie charakterystyk tarciowych wybranych składników w połączeniach 2-3 składnikowych /azbest-lepiszcze+badany napełniacz/;
3. określenie charakterystyk tarciowych tworzyw 4,5…wieloskładnikowych.

Rys. 13. Poglądowe zestawienie charakterystyk tarciowych żywicy opracowanej /rezomel/ z klasycznymi ; 1-Nowolak nr 18, 2-Nowolak EF, 3-Pololit 2, 4-Żywice BA, 5-Rezomel.

Na rysunku tym brak charakterystyki poliakrylonitrylu której zdjęcie bez wymieszania polimeru z odpowiednim napełniaczem /-ami/ jest bardzo trudne.

Rys. 15. Zależność współczynnika tarcia od temperatury różnych tworzyw hamulcowych: 1 - żywica + azbest = ZK-2, 2 - żywica + azbest + brąz =ZK-I-4, 3 - źywica + azbest + brąz + łupek mielony = ZK-II-6, 4 - żywica + azbest+ brąz + łupek mielony + baryt = ZK-III-9, 5 - żywica + azbest + brąz + łupek mielony + baryt + czerwień żelazowa = ZK-IV-12, 6 - składniki jw. + sadza = ZK-V-15, 7 - ZK-VI-19, 8- ZK-VI-20.

Rys. 16. Zależność współczynnika tarcia / µ / układów dwuskładnikowych od temperatury: p=10 kG/cm2; V=9 m/s: 3 - opiłki ołowiane; 4 - opiłki brązu; 5 - opiłki mosiężne; 8 - proszek żeliwny; 9 - proszek stalowy; 12 - opiłki cynku; 16 - sadza HAF; 17 - grafit

Rys. 17. Zależność współczynnika tarcia / µ / układów dwuskładnikowych badanych od temperatury: p-10 kG/cm2; V=9 m/s; 1 - korund; 2 - węglik krzemu; 6 - czerwień żelazowa; 7 - łupek mielony; 10 - talk; 11 - kreda; 13 - baryt; 14 - azbest; 15 - mika

1. w strefie wdrażania - opracowania utylitarnego - kształtowania i optymalizowania tworzywa na hamulce kolei szybkich /w fazie badań półeksploatacyjnych/;
2. w sferze prac podstawowych-poszukiwań odpowiednich modyfikacji substancji wiążących, szczególnie o strukturze drabinkowej - co rokuje w perspektywie nadzieję otrzymania tworzyw o znacznie wyższej, niż obecnie, temperaturze destrukcji;
3. w tej samej sferze - prace poszukiwawcze nad tworzywem bezazbestowym, w celu wyeliminowania rakotwórczego azbestu /zresztą importowanego/.

7.2. OBRÓBKA CIEPLNA TWORZYW CIERNYCH

Rys. 18.Poglądowe zestawienie charakterystyki tarciowej tworzywa P-12 i AKF przed i po wygrzewaniu

Rys. 19. Zestawienie zużycia liniowego próbek badanych i przeciwpróbek

Autor przypuścił, że podwyższenie własności tworzyw ciernych w wyniku obróbki cieplnej jest następstwem uzyskania pełnego usieciowania lepiszcza i zwiększenia sorpcji żywicy-lepiszcza na azbeście, co nie jest osiągane w toku produkcji tworzywa /prasowanie na gorąco/. Przeprowadził więc eksperyment składający się z dwóch faz;

1. badań wpływu wygrzewania tworzywa na zwiększenia stopnia usieciowania żywicy; niewygrzane i wygrzane próbki badanych tworzyw poddano badaniom na spektrofotometrze typu UR-10, na pryzmatach: KBr., NaCl oraz LiF, w pasmach od 400 do 5000 cm^-1. Uzyskano widma próbek o wyraźnie wykształconych pasmach absorpcji /i licznych liniach widmowych/, które można jednoznacznie przypisać poszczególnym grupom funkcyjnym i rodnikom, występującym w żywicach fenoloformaldehydowych. Ostateczne wyniki obserwacji pozwalają stwierdzić, że szczególnie różnice istnieją w charakterystyce widm absorpcji w zakresie fal od 1100 do 1200 cm^-1. Po wygrzewaniu powstaje szerokie, silnie zarysowane pasmo, dowodzące tworzenia się wiązań dwumetylenosterowych - CH₂-O-CH₂ - kosztem polimeryzacji grup metylowych.
   Następuje więc wzrost stopnia usieciowania; tak więc w toku produkcji - prasowania tworzyw nie osiąga się pełnego usieciowania, i to m.in. jest przyczyną uzyskania nieoptymalnych charakterystyk eksploatacyjnych;

   Zestawienie pasm absorpcji w podczerwieni żywic fenyloformaldehydowych prasowanej oraz wygrzewanych po prasowaniu
   Próbka	Z a k r e s cm-1
   1. Wzorcowa bez wygrzewania	435	460, 550, 605
   	pierścień aromatyczny	wiązania eterowe
   	735, 770	830, 860, 880
   	grupy metylenowe	pierścień aromatyczny
   	970, 1020, 1080	1145, 1170
   	grupy metylowe	wiązania eterowe
   	1210, 1280	1610, 1660
   	grupy metylowo-fenolowe	woda związana
   2. Wygrzewana 2 godziny	435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1080 s, 1160 m, 1170 m, 1172 m, 1210 s, 1280 s, 1605 m.
   3. Wygrzewana 5 godzin	435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 740 s, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1080 s, 1160 m , 1210 s, 1280 s, 1605 m.
   4. Wygrzewana 10 godzin	435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 740 s, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1160 m, 1210 s, 1280 s, 1610 s.
   Oznaczenia:	s - silne pasmo absorpcji, m - słabe wykształcenie pasma.

2. badań zjawiska chemisorpcji żywicy na azbeście w wyniku procesu wygrzewania.
   U podstaw badań leżało założenie, zgodne z teorię chemisorpcji: jeśli proces prasowania /wygrzewania produkcyjnego/ był zbyt krótki, mogło nie zajść do końca "wysycenie" możliwości chemisorpcyjnych żywicy na azbeście, co naturalnie doprowadziło do uzyskania nieoptymalnego tworzywa z określonego tłoczywa.
   Proces chemisorpcji zachodzi wyraźnie zawsze z efektem egzotermicznym, za wyjątkiem ostatniej fazy wysycania wiązań, dla osiągnięcia której potrzebne jest doprowadzenie ciepła. Wobec tego przy wygrzewaniu /powolnym podnoszeniu temperatury/ powinno zaistnieć w temperaturze ok. 150°C przyspieszenie wzrostu temperatury /wydzielanie ciepła/ a w temp. ok. 210-280 - spóźnienie wzrostu temperatury /pochłanianie ciepła dla zajścia ostatniej fazy powstawania wiązań chemisorpcyjnych żywicy na azbeście/. Eksperyment opisany w publikacji dowiódł tego w sposób jednoznaczny, jak to wynika z załączonego rysunku 20.

7.3. TWORZYWA O PODWYŻSZONEJ CIERNOŚCI PRZY PRACY W OŚRODKU CIEKŁYM

1. w WAT K. Spaliński - do optymalizowania ilości i jakości domieszki ciernej - elektrokorundu /uzyskano dalszą dość pokaźną optymalizację tworzywa na tej zasadzie/ oraz
2. w WiTPiS w latach 1968-74 [25] [26]. W WITPiS podstawowym kierunkiem badań nad uzyskiwaniem tworzywa ciernego o podwyższonej cierności stały się - po niezadowalających nas próbach badań nad doborem skuteczniejszego rodzaju i ilości korundu czy elektrokorundu - próby zastosowania ciętego włókna szklanego, o dużej cierności, stosunkowo dużej łamliwości, ale jednocześnie dużej wytrzymałości na zrywanie. Uzyskano w ten sposób tworzywo o podwyższonej udarności, jednocześnie wyższej elastyczności, dużej cierności zarówno pracy na sucho jak i przy pracy w wodzie. Jednocześnie znacznie obniżono zużywalność przeciwpartnera metalowego - bębna /samochód rodziny STAR/, doprowadzając go do stanu, w którym można było zachować proporcje żywotnościowe; i bęben na co najmniej 3 zmiany nakładek hamulcowych /przy tworzywie z elektrokorundem bęben wytrzymywał zwykle współpracę z dwoma kolejnymi kompletami nakładek hamulcowych/. Orientacyjne wyniki badań pokazują rys. rys. 21, 22 i 23.
   Należy wspomnieć, że wyniki badań laboratoryjnych, w których przeplatały się elementy trybologii i inżynierii materiałowej, zostały w pełni potwierdzone przez badania eksploatacyjne, a wyniki tych ostatnich badań wdrożono do produkcji i eksploatacji.

Rys. 21. Zależność współczynnika tarcia od temperatury /aparat I-47/ dla tworzyw : AKF; P-12n; P-12w; VIII

Rys. 22. Zależność współczynnika tarcia od temperatury /aparat I-47/ dla tworzyw: "2", "3"; VIII

Rys. 23. Zużycie liniowe nakładek i bębnów w samochodzie Star 660 po przebiegu 10 000 km

Stworzenie tworzywa o podwyższonej cierności przy pracy w wodzie jest w sumie osiągnięciem nie wykazywanym przez literaturę krajową ani też zagraniczną. Wyniki naszych obserwacji dowodzą, że w przypadkach pojazdów z nakładkami hamulcowymi wykonywanymi za granicę dla pojazdów terenowych - nie stosuje się nakładek z tłoczywa o podwyższonej cierności. Tak więc należy te badania i ich efekty uznać za pionierskie i za oryginalne osiągnięcia badawcze.

8. NIEKTÓRE PROBLEMY METODYKI BADAŃ TWORZYW CIERNYCH

Rys. 24.

Przy reżimie łagodnym temperatura w.w. wynosiła nieco powyżej 100°C, przy warunkach ciężkich sięgała ok. 250°C, co odpowiada w przybliżeniu, w praktyce, warunkom próby hamowania na gorąco wg obowiązującej PN. Natomiast w warunkach ciężkich temperatura przekraczała wyraźnie 400°C, co w praktyce częstego hamowania samochodu Fiat 125 przy względnie "ostrej" jeździe w mieście jest powszechnie spotykane. Jak widać na rys. 25 przy podobieństwie /skład/ dwóch badanych materiałów różnice początkowe są nieduże, a dopiero w bardzo ciężkich warunkach pracy uwypuklają się one ogromnie. Praktycznie na podstawie badań prowadzonych w warunkach łagodnych, a nawet ciężkich, oba tworzywa zakwalifikować można jako tworzywa o podobnych własnościach: dopiero badania w warunkach wysokiej temperatury pokazują, że tworzywo oznaczone nr 3 zaczyna wyraźnie destruować /temperatura ok. 450°C/, podczas gdy tworzywo 1 jakby "stabilizowało" się i jeszcze w temperaturze rzędu 700°C nie wykazuje oznak destrukcji. Trzeba nadmienić, że istniały przypadki wystąpienia dwóch tworzyw o podobnym składzie, gdzie tworzywo uznane jako lepsze na podstawie prób "łagodnych", stawało się wyraźnie "brakiem" przy zastosowaniu ciężkiego reżimu badań.

1. docieranie: cel uzyskania w 80 - % przylegania powierzchni, dla tworzyw współczesnych wymaga to ok. 150 zahamowań w warunkach obowiązujących dla badań stanowiskowych /stanowisko bezwładnościowe/;
2. pomiary czasu i momentu hamowania w funkcji nacisku /v = const, T - 50°C/;
3. jw. - w zależności od prędkości;
4. pomiar temperatury okładzin będącej efektem piętnastu kolejnych przyhamowań /z prędkości maksymalnej do 0,5 V co 45 sekund/ oraz pomiar czasu i momentu hamowania w wyżej opisany sposób nagrzanych okładzin.
   Próba ta nawiązuje do próby hamowanie "na gorąco" wg PN-71/S-47000/;
5. pomiar zużycia obydwu elementów pary trącej w trzech kolejnych seriach zahamowań, składających się każda z 250-ciu hamowań /liniowe i wagowe./
   
6. dla przypadku hamulców tarczowych - badania jak w punkcie e/ - przy skróceniu czasu przerw /częstotliwość hamowań zdwojona/.