RU2459986C2 - Method of defining directions of electric current components in friction pairs ''polymer-metal'' of drum shoe brake at its heating at test bench (versions) - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed method consists in heating independent friction pairs ''metal discs - friction facing sectors'' by cyclic or long-term braking at test bench to temperature below, equal to and above tolerable temperature for friction facing materials. Then, thermal electrodes of plate thermocouple are used to define thermal emf of thermal flux by relationship E_i=K(t₁-t₂), where K is thermal emf factor, mcV/°C; t₁ and t₂ are surface temperature of friction pairs and ambient medium, °C Then relationship is used

where δ₁,δ₂,δ₃,δ₄ ; λ₁,λ₂,λ₃,λ₄ are thickness and heat conductivity factor of materials of the following elements: brake shoe base, friction facing and its surface layer, brake drum ring, to define total thermal current.

EFFECT: accurate estimation of heat amount generated in braking.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тяжелонагруженных барабанно-колодочных тормозах, например, в автотранспортных средствах.The invention relates to mechanical engineering and can be used in heavily loaded drum-shoe brakes, for example, in motor vehicles.

Известен метод Кельвина, заключающийся в измерении контактной разности потенциалов между исследуемой металлической поверхностью и относительно стабильной поверхностью металлического эталонного образца [1, аналог]. Структурная схема зонда Кельвина содержит цилиндрические образцы из фрикционного материала, вращающийся диск, эталонный металлический образец, расположенный на расстоянии 0,5 мм от поверхности вращающегося диска, модулятор, создающий вибрацию эталонного металлического образца. Последний подключен к измерителю, представляющему собой фазовую автокомпенсационную систему, которая постоянно отслеживает на выходе потенциал, равный контактной разности потенциалов между эталонным металлическим образцом и трущейся поверхностью диска. Разность потенциалов между указанными поверхностями фиксируется регистрирующим устройством.The known Kelvin method, which consists in measuring the contact potential difference between the investigated metal surface and the relatively stable surface of the metal reference sample [1, analog]. The structural diagram of the Kelvin probe contains cylindrical samples of friction material, a rotating disk, a reference metal sample located at a distance of 0.5 mm from the surface of the rotating disk, a modulator that creates a vibration of the reference metal sample. The latter is connected to a meter, which is a phase self-compensation system, which constantly monitors the output potential equal to the contact potential difference between the reference metal sample and the friction surface of the disk. The potential difference between these surfaces is fixed by a recording device.

Метод Кельвина имеет тот недостаток, что он определяет контактную разность потенциалов, т.е. одну из составляющих суммарного тока, возникающего за счет контакта макроповерхностей при взаимодействии.The Kelvin method has the disadvantage that it determines the contact potential difference, i.e. one of the components of the total current arising from the contact of macro-surfaces during interaction.

Известно, что взаимодействие макроучастков при трении вызывает генерирование на их поверхностях следующих суммарных токов: контактного; контактной электризации; образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса; обратного разряда, возникающего при разрушении фрикционного контакта; обусловленного сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях контакта; термического [2, прототип]. Недостатком является то, что для перечисленных токов не рассматривается способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер - металл» барабанно-колодочного тормоза.It is known that the interaction of macroareas during friction causes the generation of the following total currents on their surfaces: contact; contact electrification; formed by the movement of charged particles of friction mass transfer; reverse discharge arising from the destruction of the frictional contact; due to sorption-desorption processes in the surface contact layers; thermal [2, prototype]. The disadvantage is that for the listed currents, the method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of the drum-shoe brake is not considered.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:Compared with the analogue and prototype, the proposed technical solution has the following significant distinguishing features:

- возможность моделировать на дисках обода тормозного барабана различные поверхности макроучастков, а в паре из секторов фрикционных накладок - различные зоны контактирования;- the ability to simulate on the disks of the rim of the brake drum various surfaces of the macro-sections, and in a pair of sectors of friction pads - various contact areas;

- представляется возможным точно оценивать разности потенциалов между: поверхностью диска обода барабана и эталонным металлическим образцом; термоэлектродами пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопарами, что позволяет раздельно рассматривать суммарные токи, возникающие за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей;- it seems possible to accurately assess the potential differences between: the surface of the disk of the rim of the drum and a reference metal sample; thermoelectrodes of plate and step plate thermocouples, which allows one to separately consider the total currents arising due to sliding friction and contact of interacting macroregions of surfaces;

- представляется возможным точно оценивать долю составляющего суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса на макроучастки диска обода тормозного барабана;- it seems possible to accurately estimate the fraction of the component total current generated by the movement of charged particles of friction mass transfer to the macroregions of the disc of the rim of the brake drum;

- введением нового понятия «приповерхностный слой сектора накладки», что позволило его рассматривать с позиции нанотрибологии;- the introduction of the new concept of “surface layer of the lining sector”, which allowed it to be considered from the perspective of nanotribology;

- представляется возможным точно оценивать разности потенциалов внешней и внутренней поверхности приповерхностного слоя секторов накладок и определить суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях;- it seems possible to accurately assess the potential differences of the outer and inner surfaces of the surface layer of the lining sectors and determine the total current due to sorption-desorption processes in the surface layers;

- представляется возможным точно оценивать количество теплоты, которое образуют суммарные токи в парах трения барабанно-колодочного тормоза.- it seems possible to accurately estimate the amount of heat that the total currents form in the friction pairs of the drum-shoe brake.

Задача изобретения - определение составляющих суммарных токов, развивающихся на макроучастках пар трения «полимер - металл» барабанно-колодочных тормозов при различной степени их нагретости, т.е. ниже, в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки для точной оценки генерируемого количества теплоты в процессе торможения.The objective of the invention is the determination of the components of the total currents developing on the macro-sections of the polymer-metal friction pairs of drum-shoe brakes at various degrees of their heating, i.e. below, in the zone and above the permissible temperature for the materials of the friction lining for an accurate estimate of the generated amount of heat during braking.

Поставленная задача достигается тем, что в барабанно-колодочном тормозе рабочие поверхности обода и накладок разделены продольными канавками различной ширины, которые совмещены в вертикальной плоскости, образуя таким образом независимые пары трения «металлические диски-сектора фрикционных накладок», нагреваемые циклическими или длительными торможениями на тормозном стенде до температур ниже, в зоне и выше допустимой для материалов фрикционной накладки и определяют степень их нагретости с помощью термоэлектродов пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар, торцы которых находятся заподлицо и на разных уровнях приповерхностного слоя секторов накладки и при этом параллельно нагреванию указанных пар трения в цепь включают модулятор, который создаст вибрацию эталонного металлического образца, расположенного в окне, выполненного в основании колодки и в теле накладки на расстоянии 0,5 мм от рабочей поверхности диска; в свою очередь модулятор включает в работу измерительное устройство, являющееся фазовой автокомпенсационной системой, постоянно отслеживающей на выходе потенциал, равный контактной разности потенциалов между эталонным металлическим образцом и трущейся поверхностью диска обода барабана. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер - металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях на основании расчетно-экспериментальных данных реализуется с помощью пяти этапов: на первом - величины суммарных термических токов -

.The task is achieved by the fact that in the drum-shoe brake, the working surfaces of the rim and pads are separated by longitudinal grooves of different widths, which are aligned in a vertical plane, thus forming independent friction pairs “metal disc-sectors of friction pads”, heated by cyclic or prolonged braking on the brake stand to temperatures below, in the zone and above the allowable for friction lining materials and determine the degree of their heating using plate thermoelectrodes and stepwise plate thermocouples, the ends of which are flush and at different levels of the surface layer of the lining sectors and at the same time heating the indicated friction pairs, a modulator is included in the circuit, which will create a vibration of the reference metal sample located in the window located at the base of the block and in the lining body at a distance 0.5 mm from the working surface of the disk; in turn, the modulator includes a measuring device, which is a phase self-compensation system that constantly monitors the output potential equal to the contact potential difference between the reference metal sample and the friction surface of the drum rim disk. The method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of a drum-shoe brake when they are heated in bench conditions on the basis of calculation and experimental data is implemented using five stages: at the first, the values of the total thermal currents are

.

На втором - суммарный ток, возникающий за счет трения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей -

,On the second - the total current arising due to friction and contact of the interacting macro-sections of surfaces -

,

на третьем - составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей -

;on the third - the component of the total current arising due to sliding friction of interacting macro-sections of surfaces -

;

на четвертом - долю составляющего суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереносаon the fourth - the fraction of the component total current formed by the movement of charged particles of friction mass transfer

на пятом - суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях секторов накладок тормозных колодок -

on the fifth - the total current due to sorption-desorption processes in the surface layers of the sectors of the brake pads -

В приведенных зависимостях использованы следующие обозначения:In the given dependencies the following notation is used:

E_i - термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) термотока; E_i=К(t₁-t₂); К - коэффициент термоЭДС; t₁, t₂ - поверхностная температура пар трения и окружающей среды;

-термическое сопротивление контакта;E _i - thermoelectromotive force (thermoEMF) of the thermal current; E _i = K (t ₁ -t ₂ ); K is the coefficient of thermopower; t ₁ , t ₂ - surface temperature of friction pairs and the environment;

-thermal contact resistance;

- толщины (в числителе) и коэффициенты теплопроводности (в знаменателе): материалов основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана; Δφ_1i, Δφ_2i - разность потенциалов между: поверхностью диска обода барабана и эталонным металлическим образцом; термоэлектродами пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопарами; Δφ_1сд, Δφ_2сд - разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями приповерхностного слоя секторов накладок.

- thicknesses (in the numerator) and thermal conductivity coefficients (in the denominator): materials of the base of the brake pad; friction lining and its surface layer; brake drum rim; Δφ _1i , Δφ _2i is the potential difference between: the surface of the disk of the rim of the drum and a reference metal sample; thermoelectrodes of plate and step plate thermocouples; Δφ _1sd , Δφ _2sd is the potential difference between the outer and inner surfaces of the surface layer of the lining sectors.

На фиг.1 показан продольный разрез заднего барабанно-колодочного тормоза автотранспортного средства; на фиг.2 представлена измерительная схема оценки контактной разности потенциалов между рабочей поверхностью обода тормозного барабана и относительно стабильной поверхностью металлического эталонного образца; на фиг.3 проиллюстрирован общий вид пластинчатой термопары, размещенной в предохранительном корпусе; на фиг.4 изображена схема установки различных типов термопар в тормозную колодку; на фиг.5 проиллюстрирована тепловая модель фрикционного узла барабанно-колодочного тормоза; на фиг.6 приведены закономерности изменения толщины приповерхностного слоя накладки (материал ФК-24А) при его исследовании в лабораторных условиях в зависимости от температуры поверхностей пары трения (прямая 1 соответствует зоне приработки; кривые 2 и 3 - износу до 0,5 и 0,75 рабочей толщины накладки).Figure 1 shows a longitudinal section of the rear drum-shoe brake of a vehicle; figure 2 presents the measuring circuit for evaluating the contact potential difference between the working surface of the rim of the brake drum and the relatively stable surface of the metal reference sample; figure 3 illustrates a General view of a plate thermocouple placed in a safety case; figure 4 shows a diagram of the installation of various types of thermocouples in the brake pad; figure 5 illustrates the thermal model of the friction unit drum-drum brake; figure 6 shows the patterns of change in the thickness of the surface layer of the lining (material FK-24A) when it is studied in laboratory conditions, depending on the temperature of the surfaces of the friction pair (straight line 1 corresponds to the running-in zone; curves 2 and 3 correspond to wear to 0.5 and 0, 75 working plate thickness).

Барабанно-колодочный тормоз содержит тормозной барабан 1, имеющий обод 2 с внутренней (рабочей) 3 и наружной 4 поверхностями. Внутренняя поверхность 3 обода 2 с помощью цилиндрических канавок 5 по его периметру разделена на одинаковые диски 6. На наружной поверхности 4 обода 2 со стороны его свободного края выполнен прилив в виде подкрепляющего кольца 7. С противоположной стороны обод 2 барабана 1 сопряжен с фланцем 8, в котором выполнены отверстия 9. С помощью последних тормозной барабан 1 прикреплен к фланцу ступицы 10 посредством болтов 11. В свою очередь, фланец ступицы 10 снизу через роликовый подшипник 12 опирается на полуось 13 заднего моста.The drum-shoe brake contains a brake drum 1 having a rim 2 with an inner (working) 3 and outer 4 surfaces. The inner surface 3 of the rim 2 using cylindrical grooves 5 along its perimeter is divided into identical disks 6. On the outer surface 4 of the rim 2 from the side of its free edge, a tide is made in the form of a reinforcing ring 7. On the opposite side, the rim 2 of the drum 1 is mated to the flange 8, in which holes 9 are made. Using the latter, the brake drum 1 is attached to the flange of the hub 10 by means of bolts 11. In turn, the flange of the hub 10 is supported from below through the roller bearing 12 on the axle shaft 13 of the rear axle.

Внутри тормозного барабана 1 установлены тормозные колодки 14, к основанию 15 которых с помощью заклепок 16 прикреплены фрикционные накладки 17, имеющие рабочую поверхность 18. На последней по всему периметру накладок 17 выполнены канавки 19, разделяющие их рабочие поверхности 18 на отдельные сектора 20. Наличие в ободе 2 барабана 1 четырех независимых дисков 6 и секторов 20 фрикционных накладок 17 колодок 14 тормоза позволяет моделировать на их макроучастках следующие виды контактов: «полимер-ювенильная поверхность металла»; «полимер-металл с перенесенной пленкой полимера»; «полимер с перенесенной пленкой металла-металл»; «приповерхностный слой полимера, находящийся в различном термодинамическом состоянии - металл». Под каждым пазом 19 по ширине в одной из накладок 17 выполнено сквозное окно 21 в ее теле в основании 15 колодки 14.Inside the brake drum 1, brake pads 14 are installed, to the base 15 of which friction pads 17 having a working surface 18 are attached with rivets 16. Grooves 19 are made along the entire circumference of the pads 17, dividing their working surfaces 18 into separate sectors 20. the rim 2 of the drum 1 of four independent disks 6 and sectors 20 of the friction lining 17 brake pads 14 allows you to simulate the following types of contacts on their macro-sections: "polymer-juvenile metal surface"; "Polymer-metal with a transferred polymer film"; "Polymer with a transferred film of metal-metal"; "The surface layer of the polymer in a different thermodynamic state is metal." Under each groove 19 in width in one of the linings 17, a through window 21 is made in its body at the base 15 of the block 14.

С нерабочей стороны основания 15 колодки 14 размещены их ребра жесткости 22, которые между собой соединены пальцем 23 с проточкой 24. В последнюю посажена оттяжная цилиндрическая пружина 25.On the non-working side of the base 15 of the block 14, their stiffening ribs 22 are placed, which are interconnected by a finger 23 with a groove 24. The last has a retractable coil spring 25.

Со свободного края обода 2 тормозного барабана 1 уставлен направляющий диск 26, к которому крепятся тормозные колодки 14.From the free edge of the rim 2 of the brake drum 1, a guide disc 26 is set, to which the brake pads 14 are attached.

В окно 21 одной из тормозных колодок 14 установлен эталонный металлический образец 27 и виде пластины, изготовленной из того же материала, что и обод 2 тормозного барабана 1. Эталонный металлический образец 27 связан напрямую с модулятором 28, а также через измерительное устройство 29 с регистрирующим устройством 30.A reference metal sample 27 and a plate made of the same material as the rim 2 of the brake drum 1 is installed in the window 21 of one of the brake pads 14. The reference metal sample 27 is connected directly to the modulator 28, as well as through a measuring device 29 with a recording device thirty.

В дальнейшем, после завершения торможения барабанно-колодочным тормозом на стенде, начиная со стороны защемления обода 2 с фланцем 8, поочередно в окна 21 набегающей тормозной колодки 14 по ширине основания 15 производят перестановки эталонного металлического образца 27.Subsequently, after braking by the drum-shoe brake on the stand, starting from the pinching side of the rim 2 with the flange 8, alternately in the windows 21 of the oncoming brake shoe 14 along the width of the base 15, the reference metal sample 27 is rearranged.

Рядом с эталонным металлическим образцом 27 монтируются две пластинчатые термопары, каждая из которых имеет термоэлектроды 31, изготовленные из хромеля (+) и копеля (-), между которыми расположен слой изоляции 32. Каждая из термопар размещена в корпусе 33. Устанавливаются пластинчатые термопары в отверстия 34 во фрикционной накладке 17, имеющей приповерхностный слой 38 в средней части колодки 14, а в ее основании 15 выполнены отверстия 35, через которые пропущены выводы 36 и 37 термопар. Термоэлектроды 36 первой термопары расположены заподлицо сектора 20 накладки 17, т.е. на ее рабочей поверхности 18. Термоэлектроды 37 второй термопары выполнены различной высоты и расположены в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладки 17 и поэтому она названа ступенчатой пластинчатой термопарой.Next to the reference metal sample 27, two plate thermocouples are mounted, each of which has thermoelectrodes 31 made of chromel (+) and copel (-), between which there is an insulation layer 32. Each of the thermocouples is placed in the housing 33. Plate thermocouples are installed in the holes 34 in the friction lining 17, having a surface layer 38 in the middle of the block 14, and holes 35 are made in its base 15 through which the leads 36 and 37 of the thermocouples are passed. The thermoelectrodes 36 of the first thermocouple are flush with the sector 20 of the lining 17, i.e. on its working surface 18. The thermoelectrodes 37 of the second thermocouple are made of different heights and are located in the surface layer 38 of the sector 20 of the lining 17 and therefore it is called a stepwise plate thermocouple.

Барабанно-колодочный тормоз на стенде работает следующим образом. Разгоняют маховые массы стенда до заданной скорости и выполняют торможение тормозом. В процессе торможения барабанно-колодочным тормозом разжимной кулак (на чертеже не показан) разводит тормозные колодки 14, фрикционные накладки 17, которые своими рабочими поверхностями 18 взаимодействуют с рабочими поверхностями 3 обода 2 тормозного барабана 1. В результате длительных или циклических торможений достигается нагревание пар трения тормоза до заданного состояния и при этом возникают тепловые потоки, направленные в тело обода 2 барабана 1 и в приповерхностный слой 38 накладки 17, собственно в тело накладки 17 и в основание 15 тормозной колодки 14.Drum-shoe brake on the stand works as follows. The flywheel masses of the stand are accelerated to a predetermined speed and braking is performed by the brake. In the process of braking with a drum-shoe brake, an expanding fist (not shown) spreads brake pads 14, friction pads 17, which, with their working surfaces 18, interact with the working surfaces 3 of the rim 2 of the brake drum 1. As a result of prolonged or cyclic braking, friction pairs are heated brakes to a predetermined state and heat flows occur, directed to the body of the rim 2 of the drum 1 and to the surface layer 38 of the lining 17, actually to the body of the lining 17 and to the base 15 second pad 14.

Для оценки теплового потока, генерируемого в парах трения, представим закон Фурье в форме, аналогичной закону Ома в электротехнике, оперируя понятием о термическом сопротивлении неоднородной многослойной стенки

с температурами поверхностей деталей фрикционного узла барабанно-колодочного тормоза. Получили следующую зависимость для величины теплового потокаTo estimate the heat flux generated in friction pairs, we present the Fourier law in a form similar to Ohm's law in electrical engineering, using the concept of thermal resistance of an inhomogeneous multilayer wall

with the temperatures of the surfaces of the parts of the friction assembly of the drum-shoe brake. We obtained the following dependence for the heat flux

где t_δl - температура наружной поверхности обода тормозного барабана;where t _δl is the temperature of the outer surface of the rim of the brake drum;

t_k - температура внутренней поверхности основания тормозной колодки;t _k is the temperature of the inner surface of the base of the brake pads;

; R₁+R₂+R₃+R_{4 -} термическое сопротивление: основания колодки с температурами t_k и t_ki фрикционной накладки с температурами t_н и t_l; приповерхностного слоя накладки с температурами t_нl и t_c; обода тормозного барабана с температурами t_δ и t_δ1.

; R ₁ + R ₂ + R ₃ + R _{4 -} thermal resistance: the base of the pads with temperatures t _k and t _{ki of the} friction lining with temperatures t _n and t _l ; the surface layer of the lining with temperatures t _Hl and t _c ; the rim of the brake drum with temperatures t _δ and t _δ1 .

Зависимость для определения термического сопротивления пар трения барабанно-колодочного тормоза имеет вид

, где δ₁, δ₂, δ₃, δ₄; λ₁, λ₂, λ₃, λ₄; - толщины и коэффициенты теплопроводности материалов: основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана.The dependence for determining the thermal resistance of the friction pairs of the drum-shoe brake has the form

where δ ₁ , δ ₂ , δ ₃ , δ ₄ ; λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , λ ₄ ; - thicknesses and thermal conductivity of materials: the base of the brake pads; friction lining and its surface layer; the rim of the brake drum.

Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер - металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях реализуют в пять этапов.The method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of the drum-shoe brake when they are heated in bench conditions is implemented in five stages.

Первый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, т.е. ниже, в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки определяют суммарный термический ток.First step. In laboratory conditions, on a brake stand by heating the macro-sections of the friction pairs of the drum-shoe brake, depending on the degree of their heating, i.e. below, in the zone and above the permissible temperature, the total thermal current is determined for the materials of the friction lining.

Для эффективной реализации способа рабочие поверхности 3 обода 2 и фрикционных накладок 17 разделены продольными канавками 5 и 19 различной ширины и поэтому одни края их совмещены в вертикальной плоскости, образуя таким образом независимые пары трения «металлические диски 6 - сектора накладок 20». Рабочие поверхности последних нагреваются на тормозном стенде путем выполнения барабанно-колодочным тормозом циклических или длительных торможений. С помощью термоэлектродов 36 пластинчатой термопары, расположенной заподлицо приповерхностного слоя 38 сектора 20 фрикционной накладки 17 по ее длине, регистрируют разность термоэлектродвижущихся сил (термоЭДС), отвечающих поверхностным температурам на тарировочных графиках, зарегистрированных термоэлектродами 36 пластинчатой термопарой, а затем определяют ЭДС термотока по зависимости вида E_i=K(t₁-t₂), где К - коэффициент термоЭДС, мкВ/°С; t₁ и t₂ - поверхностная температура пар трения и окружающей среды, °С; после чего по зависимости вида

(где δ₁, δ₂, δ₃, δ₄; λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ - толщины и коэффициенты теплопроводности материалов: основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана) находят величины суммарных термических токов.For the effective implementation of the method, the working surfaces 3 of the rim 2 and the friction linings 17 are separated by longitudinal grooves 5 and 19 of different widths and therefore some of their edges are aligned in a vertical plane, thus forming independent friction pairs “metal disks 6 - sectors of the linings 20”. The working surfaces of the latter are heated on the brake stand by performing cyclic or prolonged braking by the drum-shoe brake. Using thermoelectrodes 36 of a plate thermocouple, which is flush with the surface layer 38 of sector 20 of the friction lining 17 along its length, the difference of thermoelectromotive forces (thermoEMF) corresponding to surface temperatures is recorded on calibration plots recorded by thermoelectrodes 36 with a plate thermocouple, and then the EMF of the current is determined by the dependence of the form E _i = K (t ₁ -t ₂ ), where K is the coefficient of thermopower, μV / ° C; t ₁ and t ₂ - surface temperature of friction pairs and the environment, ° C; then according to the type

(where δ ₁ , δ ₂ , δ ₃ , δ ₄ ; λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , λ ₄ are the thicknesses and thermal conductivity of the materials: the base of the brake pad; friction lining and its surface layer; rim of the brake drum) find the total thermal currents.

Второй этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, т.е. ниже, в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки и одновременным включением в цепь модулятора эталонного металлического образца определяют составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей. При включении модулятора 28 в цепь, создающего вибрацию эталонного металлического образца 27, и измерительного устройства 29, являющегося фазовой автокомпенсационной системой, постоянно отслеживающей на выходе потенциал, равный на регистрирующем устройстве 30 контактной разности потенциалов между исследуемыми объектами, а с помощью термоэлектродов 36 и 37 пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар регистрируют разность потенциалов между внешним и внутренним уровнями приповерхностного слоя 38 сектора 20 накладки 17 по его длине. Составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков, определяют по зависимости вида,

(где Δφ_1i, - разность потенциалов между поверхностью диска 6 обода 2 барабана и эталонным металлическим образцом 27, подключенного к модулятору 28; Δφ_2i - разность потенциалов между термоэлектродами 36 и 37 пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопарами.Second phase. In laboratory conditions, on the brake stand by heating the macro-sections of the friction pairs of the drum-shoe brake, depending on the degree of their heating, i.e. below, in the zone and above the permissible temperature for the materials of the friction lining and the simultaneous inclusion of a reference metal sample in the modulator circuit, the component of the total current arising due to sliding friction and contact of the interacting macro-sections of the surfaces is determined. When you turn on the modulator 28 in the circuit, which creates the vibration of the reference metal sample 27, and the measuring device 29, which is a phase self-compensation system that constantly monitors the output potential equal to on the recording device 30 of the contact potential difference between the studied objects, and with the help of thermoelectrodes 36 and 37 plate and stepwise plate thermocouples register the potential difference between the external and internal levels of the surface layer 38 of the sector 20 of the lining 17 along its length. The component of the total current arising due to sliding friction and contact of the interacting macroareas is determined by the dependence of the form

(where Δφ _1i , is the potential difference between the surface of the disk 6 of the drum rim 2 and the reference metal sample 27 connected to the modulator 28; Δφ _2i is the potential difference between the thermoelectrics 36 and 37 of the plate and step plate thermocouples.

Суммарный обратный ток разряда

, возникающий при разрушении фрикционного контакта (суммарный импульсный ток), входит в качестве составляющей, возникающей от трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастка поверхностей пар трения и характеризуется всплеском тока на графических зависимостях.Total reverse discharge current

arising from the destruction of the frictional contact (total pulsed current) is included as a component arising from sliding friction and the contact of the interacting macroarea of the surfaces of the friction pairs and is characterized by a surge of current in the graphical dependencies.

Третий этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения ниже, в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки барабанно-колодочного тормоза и при замкнутых парах трения при остановленном тормозе, и одновременным включением в цепь модулятора 28 эталонного металлического образца 27 определяют составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей. Составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей, определяют как разностьThe third stage. In laboratory conditions, on the brake stand, by heating the macro-sections of the friction pairs below, in the zone and above the permissible temperature for the materials of the friction lining of the drum-shoe brake and with closed friction pairs with the brake stopped, and at the same time the reference metal sample 27 is connected to the modulator circuit 28, the total component current arising due to sliding friction of interacting macroareas of surfaces. The component of the total current arising due to sliding friction of interacting macroareas of surfaces is defined as the difference

,

,

где I_ск, I_к - составляющие суммарных токов, вызванных скольжением и контактным взаимодействием и собственно контактным взаимодействием. Поэтому для режима нагревания макроучастков взаимодействующих пар трения через каждые 50°С и остановки тормоза при одинаковых удельных нагрузках и включенном металлическом образце 27 к модулятору 28 определяют разность потенциалов для неработающего тормоза с раздвинутыми тормозными колодками и находят составляющую суммарного тока, возникающего за счет контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей по зависимости вида

. Составляющую суммарных токов, вызванных скольжением и контактным взаимодействием макроучастков, определяют согласно данных второго этапа.where I _ck , I _k are the components of the total currents caused by sliding and contact interaction and the actual contact interaction. Therefore, for the heating mode of the macroareas of interacting friction pairs every 50 ° C and brake stop at the same specific loads and the included metal sample 27 to the modulator 28, the potential difference for the idle brake with the brake pads apart is found and the component of the total current arising from the contact of the interacting macroareas is found surfaces according to the type

. The component of the total currents caused by the sliding and contact interaction of the macroareas is determined according to the data of the second stage.

Четвертый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, т.е. ниже, в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки и одновременным включением в цель модулятора эталонного металлического образца определяют составляющую суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса.The fourth stage. In laboratory conditions, on the brake stand by heating the macro-sections of the friction pairs of the drum-shoe brake, depending on the degree of their heating, i.e. below, in the zone and above the permissible temperature for the materials of the friction lining and the simultaneous inclusion in the target of the modulator of the reference metal sample, the component of the total current formed by the movement of the charged particles of the friction mass transfer is determined.

По соотношению максимальных к минимальным суммарным токам, возникающих за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей трения, определяют долю составляющего суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса

.The ratio of the maximum to the minimum total currents arising due to sliding friction and contact of the interacting macroregions of the friction surfaces determines the fraction of the total current component formed by the movement of charged particles of friction mass transfer

.

Кроме того, суммарный ток, образованный движением заряженных частиц фрикционного массопереноса, определяют по зависимости вида

(где q, n, ν - заряд, количество и средняя скорость движения частиц массопереноса).In addition, the total current generated by the movement of charged particles of friction mass transfer is determined by the dependence of the form

(where q, n, ν is the charge, quantity, and average velocity of the particles of mass transfer).

В связи с тем, что вибрирующий под действием модулятора 28 металлический эталонный образец 27 расположен на расстоянии 0,5 мм под вращающейся дорожкой трения металлического диска 6 обода 2 барабана 1, то образуется с ней цилиндрический конденсатор емкостью С. Однако из-за незначительной площади поверхности металлического эталонного образца 27, и представив дорожку трения металлического диска 6 в виде бесконечной пластины, указанный конденсатор представляем как плоский и имеющий заряд

, вследствие разности работы выхода электрона (е) металлического эталонного образца 27 и вращающегося диска 6 обода 2 барабана 1.Due to the fact that the metal reference sample 27 vibrating under the action of the modulator 28 is located at a distance of 0.5 mm under the rotating friction track of the metal disk 6 of the rim 2 of the drum 1, a cylindrical capacitor with a capacity of C is formed with it. However, due to the small surface area metal reference sample 27, and presenting the friction track of the metal disk 6 in the form of an endless plate, we present the indicated capacitor as flat and having a charge

, due to the difference in the work function of the electron (e) metal reference sample 27 and the rotating disk 6 of the rim 2 of the drum 1.

Пятый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, т.е. в зоне и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки определяют суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях секторов накладок тормозных колодок.The fifth stage. In laboratory conditions, on the brake stand by heating the macro-sections of the friction pairs of the drum-shoe brake, depending on the degree of their heating, i.e. in the zone and above the permissible temperature for the materials of the friction lining determine the total current due to sorption-desorption processes in the surface layers of the sectors of the lining of the brake pads.

Работа приповерхностных слоев 38 сектора 20 накладки 17 в зоне и выше допустимой температуры для их материалов характеризуется процессами дымления, образованием жидких фракций и их превращением в парообразное состояние. Поэтому в приповерхностных слоях 38 сектора 20 накладки 17 установляется как минимум две пластинчатые термопары с термоэлектродами 36 и 37, расположенными на трех уровнях. В результате чего по разностям потенциалов, зарегистрированных пластинчатыми термопарами в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладки 17, и находят по зависимости вида

(где Δφ_1сд, Δφ_2сд - разность потенциалов внешней и внутренней поверхности приповерхностного слоя 38 секторов 20 накладки 17; R₃ - термическое сопротивление приповерхностного слоя 38 секторов 20 накладки 17) суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладок 17 тормозных колодок 14.The work of the surface layers 38 of the sector 20 of the lining 17 in the zone and above the permissible temperature for their materials is characterized by smoke processes, the formation of liquid fractions and their transformation into a vapor state. Therefore, at least two plate thermocouples with thermoelectrodes 36 and 37 located at three levels are installed in the surface layers 38 of the sector 20 of the lining 17. As a result, according to the potential differences recorded by plate thermocouples in the surface layer 38 of the sector 20 of the lining 17, they are found according to the form

(where Δφ _1sd , Δφ _2sd is the potential difference between the outer and inner surfaces of the surface layer 38 sectors 20 of the lining 17; R ₃ is the thermal resistance of the surface layer 38 sectors 20 of the lining 17) the total current due to sorption-desorption processes in the surface layer 38 of the sector 20 of the lining 17 brake pads 14.

Наибольшую трудность представляет определение толщины приповерхностного слоя 38 секторов 20 накладки 17. Согласно фиг.6 линейная зависимость 1 указывает на то, что в приповерхностном слое сектора накладки происходят электризационные процессы случайного контактного взаимодействия на макроучастках, которые с течением времени приработки переходят в составляющую постоянного контактного взаимодействия, и тогда совершается движение заряженных частиц фрикционного массопереноса. Суммарные токи обратного разряда и токи, обусловленные сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях контакта в области приработки, являются незначительными. При этом сохраняется пористая структура приповерхностных слоев секторов накладок. При изнашивании секторов накладок на 50% от их начальной толщины (фиг.6, кривая 2) токи контактного взаимодействия значительно увеличиваются, особенно ток обратного разряда, что объясняется разрушением фрикционного контакта и термостабилизационным состоянием обода тормозного барабана. Все это способствует интенсификации сорбционно-десорбционных процессов в приповерхностных слоях секторов накладок. При их изнашивании на 75% (фиг.6, кривая 3) поры приповерхностных слоев являются закрытыми продуктами разрушения материалов секторов и при этом токи контактного взаимодействия и ток обратного разряда существенно уменьшаются, активность сорбционно-десорбционных процессов резко падает. Установлено, что термостабилизационное состояние обода тормозного барабана почти не влияет на электрический баланс приповерхностных слоев секторов накладок.The greatest difficulty is the determination of the thickness of the surface layer 38 of the sectors 20 of the lining 17. According to Fig.6, a linear dependence of 1 indicates that in the near-surface layer of the lining sector there are electrification processes of random contact interaction on macro sites, which over time become a component of the constant contact interaction , and then the movement of charged particles of frictional mass transfer occurs. The total currents of the reverse discharge and currents due to sorption-desorption processes in the surface contact layers in the running-in region are insignificant. At the same time, the porous structure of the surface layers of the lining sectors is preserved. When the sectors of the linings wear out by 50% of their initial thickness (Fig. 6, curve 2), the contact currents increase significantly, especially the reverse discharge current, which is explained by the destruction of the frictional contact and the thermal stabilization state of the rim of the brake drum. All this contributes to the intensification of sorption-desorption processes in the surface layers of the lining sectors. When they wear out by 75% (Fig. 6, curve 3), the pores of the surface layers are closed products of the destruction of sector materials and the contact interaction currents and reverse discharge current are significantly reduced, the activity of sorption-desorption processes drops sharply. It was found that the thermal stabilization state of the rim of the brake drum almost does not affect the electric balance of the surface layers of the lining sectors.

Таким образом, предложен способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер - металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях на основе расчетно-экспериментальных данных для точной оценки генерируемого количества теплоты в процессе торможения.Thus, a method is proposed for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of a drum-shoe brake when they are heated in bench conditions on the basis of calculation and experimental data for an accurate estimate of the generated amount of heat during braking.

Источники информацииInformation sources

1. Применение зонда Кельвина в трибологии / Шипица Н.А., Жарин А.Л., Сорока Д.И. - Материалы международ. конгресса «Механика и трибология транспортных систем». - Ростов на Дону, т.2, 2003. - С.398-402.1. The use of the Kelvin probe in tribology / Shipitsa N.A., Zharin A.L., Soroka D.I. - Materials international. Congress "Mechanics and Tribology of Transport Systems". - Rostov-on-Don, t.2, 2003. - S.398-402.

2. Барабанно-колодочные тормозные устройства / Петрик А.А., Вольченко А.И., Вольченко Н.А., Вольченко Д.А. - Краснодар: из-во Кубанск. государств, технолог, ун-та. - Том 2. - 2007. - 173 с.2. Drum-shoe braking devices / Petrik A. A., Volchenko A. I., Volchenko N. A., Volchenko D. A. - Krasnodar: from Kubansk. States, technologist, University. - Volume 2. - 2007. - 173 p.

Claims (5)

1. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях, содержащего тормозной механизм с барабаном, с тормозными колодками, к основаниям которых прикреплены фрикционные накладки, при этом между колодками установлены разжимные устройства с приводом, а в приповерхностном слое фрикционных накладок на различной глубине установлены термоэлектроды пластинчатых и ступенчатых пластинчатых термопар, со стороны нерабочей поверхности основания колодки выполнены сквозные окна с перегородками на всю их длину, в которые поочередно после завершения торможений на стенде, начиная со стороны защемления обода с фланцем, установлен эталонный металлический образец, изготовленный из материала обода барабана, и подключенный последовательно к модулятору и к измерительному устройству, связанному непосредственно с регистрирующим устройством, отличающийся тем, что рабочие поверхности обода и накладок разделены продольными канавками различной ширины и поэтому одни края их совмещены в вертикальной плоскости, образуя, таким образом, независимые пары трения «металлические диски - сектора фрикционных накладок», которые нагревают циклическими или длительными торможениями на стенде до температуры ниже, в зоне и выше допустимой для материалов фрикционной накладки, а затем с помощью термоэлектродов пластинчатой термопары определяют термоэлектродвижущуюся силу (термоЭДС) термопотока по зависимости вида
E_i=K(t₁-t₂),
где К - коэффициент термоЭДС, мкВ/°С; t₁ и t₂ - поверхностная температура пар трения и окружающей среды, °С;
после чего по зависимости вида

где δ₁, δ₂, δ₃, δ₄; λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ - толщины и коэффициенты теплопроводности материалов: основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана;
находят величины суммарных термических токов.1. A method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of a drum-shoe brake when they are heated in bench conditions, containing a brake mechanism with a drum, with brake pads, friction pads attached to the bases of the brake pads, expandable devices between the pads with a drive, and in the surface layer of friction linings at various depths, thermoelectrodes of plate and step plate thermocouples are installed, based on the non-working surface I pads are made through windows with partitions along their entire length, into which, after braking on the stand, starting from the jamming side of the rim with the flange, a reference metal sample made of the material of the drum rim is installed and connected in series to the modulator and to the measuring device, connected directly with the recording device, characterized in that the working surfaces of the rim and pads are separated by longitudinal grooves of different widths and therefore some of their edges are aligned in on the vertical plane, thus forming independent friction pairs “metal disks - friction lining sectors” that are heated by cyclic or prolonged braking on the test bench to a temperature lower, in the zone and higher than the friction lining that is acceptable for materials, and then determine with the help of thermoelectrodes a plate thermocouple thermoelectromotive force (thermoEMF) of the heat flux according to the type
E _i = K (t ₁ -t ₂ ),
where K is the coefficient of thermopower, μV / ° C; t ₁ and t ₂ - surface temperature of friction pairs and the environment, ° C;
then according to the type

where δ ₁ , δ ₂ , δ ₃ , δ ₄ ; λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , λ ₄ - thickness and thermal conductivity of materials: the base of the brake pads; friction lining and its surface layer; brake drum rim;
find the values of the total thermal currents. 2. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях по п.1, отличающийся тем, что параллельно нагреванию пар трения включают модулятор, создающий вибрацию эталонного металлического образца, и тем самым включающий в цепь измеритель, являющийся фазовой автокомпенсационной системой, постоянно отслеживающей на выходе потенциал, равный контактной разности потенциалов между эталонным металлическим образцом и трущейся поверхностью диска обода барабана, а с помощью термоэлектродов пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар регистрируют разность потенциалов в приповерхностном слое сектора фрикционной накладки по его длине и по зависимости вида

где Δφ_1i - разность потенциалов между поверхностью диска обода барабана и эталонным металлическим образцом, подключенным к модулятору; Δφ_2i - разность потенциалов между термоэлектродами пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопарами;
находят суммарный ток, возникающий за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей.2. The method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of the drum-shoe brake when they are heated in the bench conditions according to claim 1, characterized in that a modulator is generated in parallel with the heating of the friction pairs, creating a vibration of the reference metal sample, and thereby including a meter in the circuit, which is a phase self-compensation system that constantly monitors the output potential equal to the contact potential difference between the reference metal sample and the friction surface of the disk the rim of the drum, and using the thermoelectrodes of the plate and step plate thermocouples, the potential difference is recorded in the surface layer of the friction lining sector along its length and depending on the type

where Δφ _1i is the potential difference between the surface of the disk of the rim of the drum and a reference metal sample connected to the modulator; Δφ _2i is the potential difference between the thermoelectrodes of the plate and step plate thermocouples;
find the total current arising due to sliding friction and contact of the interacting macro-sections of the surfaces. 3. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях по п.2, отличающийся тем, что при нагревании пар трения барабанно-колодочного тормоза циклическими или длительными торможениями стенд через каждые 50°С останавливают и в статике за счет прижатия пар трения моделируют удельные нагрузки в динамике, параллельно нагретым парам трения включают модулятор, создающий вибрацию эталонного металлического образца, определяют суммарный ток, возникающий за счет контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей согласно данным второго этапа

, после чего за счет разности между

находят составляющую суммарного тока, возникающую за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей.3. The method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of the drum-shoe brake when they are heated in the bench conditions according to claim 2, characterized in that when the drum-shoe brake friction pairs are heated by cyclic or prolonged braking, the stand every 50 ° C is stopped and in statics, by compressing the friction pairs, they model the specific loads in the dynamics, parallel to the heated friction pairs, they include a modulator that creates a vibration of the reference metal sample, determines the total current, dropping due to contact of interacting macro-sections of surfaces according to the data of the second stage

, after which due to the difference between

find the component of the total current arising due to sliding friction of the interacting macro-sections of the surfaces. 4. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревания в стендовых условиях по п.2 или 3, отличающийся тем, что по соотношению максимальных к минимальным суммарным токам, возникающим за счет трения скольжения и контакта, взаимодействующих макроучастков поверхностей, определяют долю составляющего суммарного тока, образованного движением частиц фрикционного массопереноса:

4. The method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of the drum-shoe brake when they are heated in the bench conditions according to claim 2 or 3, characterized in that by the ratio of maximum to minimum total currents arising due to sliding friction and contact interacting macroregions of surfaces, determine the proportion of the component of the total current formed by the movement of particles of frictional mass transfer:

5. Способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагревают пары трения барабанно-колодочного тормоза циклическими или длительными торможениями до температуры, равной или превышающей допустимую для материала фрикционных накладок, и по разности потенциалов, зарегистрированных пластинчатыми термопарами в приповерхностном слое секторов накладок по зависимости вида

где

- разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями приповерхностного слоя секторов накладок;
R₃ - термическое сопротивление приповерхностного слоя секторов накладок;
определяют суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях секторов накладок тормозных колодок. 5. A method for determining the components of electric currents in the polymer-metal friction pairs of a drum-shoe brake when they are heated in bench conditions according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the drum-shoe brake friction pairs are heated by cyclic or prolonged braking to temperature equal to or exceeding the permissible value for the material of the friction linings, and according to the potential difference recorded by plate thermocouples in the surface layer of the sectors of the linings, depending on the type

Where

- the potential difference between the outer and inner surfaces of the surface layer of the lining sectors;
R ₃ - thermal resistance of the surface layer of the lining sectors;
determine the total current due to sorption-desorption processes in the surface layers of the sectors of the brake pads.

Images