RU2514385C2 - Device and method for determination of thermal conditions of drum-shoe brake metal-polymer friction pairs at loading under test bench conditions - Google Patents

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to automotive industry, particularly, to brake systems. Proposed device comprises brake drum and brake shoes with friction linings secured thereto. Working surfaces of the rim and friction linings have surfaces plies heated at single, cyclic of long-term braking due to current generation at the surface of friction pairs. At braking, thermal resistance of the contact between metal-polymer pairs produces plain and semiconductor films at friction that feature heat- and electrically-conducting properties to make set of micro thermal batteries. Temperature difference us generated at junctions of said micro batteries. Passage of the main quantity of heat through the film generates sufficient output power for operation of said set of micro thermal batteries. Proposed method consists in heating the thermal electrodes of plate thermocouples by single cyclic or long-term braking due to current generation at the surface of friction pairs. Said plate thermocouples make said set of micro thermal batteries. Their thermal EMF is used to define the thermal conditions of friction pairs.

EFFECT: thermal EMF is used to define the thermal conditions of friction pairs.

2 cl, 19 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в барабанно-колодочных тормозах транспортных средств.The invention relates to mechanical engineering and can be used in drum-shoe brakes of vehicles.

Известны устройство и способ для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза. В устройстве охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза состоит в том, что на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемой термоэлектрогенераторами силы тока для термоэлектрохолодильников [1, аналог].A device and method are known for cooling friction pairs of a band brake shoe. In the device, the cooling units are made in the form of thermopiles, consisting of thermocouples with electronic and hole conductivity, while these thermocouples are made in the form of rods installed in the body of the friction linings and passing through the holes in the brake belt. A method of cooling a friction pair of a tape-shoe brake is that on an incoming branch of the brake band an electronic conductivity thermocouple is connected to the positive terminal of the direct current source, and a hole conductivity thermoelement is connected to the negative terminal of the direct current source to increase the current generated by thermoelectric generators for thermoelectric refrigerators [1, analogue].

Данное устройство является громоздким, а реализуемый им способ охлаждения выполнен на макроуровне.This device is bulky, and the cooling method it implements is made at the macro level.

Известно, что в отношении процессов нагревания пар трения тормозов установлено три возможных режима их работы.It is known that in relation to the heating processes of friction pairs of brakes, three possible modes of their operation are established.

Кратковременный режим. В тормозах, работающих в этом режиме, температура поверхности трения не успевает достигнуть величин, допускаемых для фрикционных материалов, а пауза между торможениями настолько велика, что температура успевает снизиться до температуры окружающей среды, и каждое последующее торможение начинается при температуре поверхности трения, равной температуре окружающей среды. К этому режиму относятся тормоза некоторых строительных лебедок и транспортирующих машин, тормоза некоторых станков и т.п.Short-term mode. In brakes operating in this mode, the temperature of the friction surface does not have time to reach the values allowed for friction materials, and the pause between braking is so large that the temperature has time to drop to ambient temperature, and each subsequent braking starts at a temperature of the friction surface equal to the ambient temperature Wednesday. This mode includes brakes of some construction winches and conveyor machines, brakes of some machines, etc.

Длительный режим. В тормозах, работающих в этом режиме, период торможения настолько велик, что температура поверхности трения достигает некоторого значения установившейся температуры и длительное время удерживается на этом уровне.Continuous mode. In brakes operating in this mode, the braking period is so long that the temperature of the friction surface reaches a certain value of the steady-state temperature and is kept at this level for a long time.

В таком режиме работают некоторые спускные тормоза грузоподъемных машин, тормоза буровых и геологических лебедок, тормоза транспортных средств на длительных спусках и т.п.In this mode, some lowering brakes of hoisting machines, brakes of drilling and geological winches, brakes of vehicles on long descents, etc. work.

Повторно-кратковременный режим. Этот режим характеризуется наличием периодически повторяемых процессов торможения и пауз в работе тормоза. Период охлаждения (пауза) относительно невелик, и температура поверхности трения не успевает снизиться до температуры окружающей среды, поэтому каждое последующее торможение начинается при температуре более высокой, чем начальная температура предыдущего торможения. По мере увеличения температурного перепада между температурой элементов тормоза и температурой окружающей среды увеличивается количество теплоты, отводимой в окружающую среду, и рост температуры поверхности трения замедляется. После некоторого числа торможений количество теплоты, отводимой в окружающую среду, становится равной количеству теплоты, образующейся при торможении, и создается некоторое условное тепловое равновесие, при котором температура, возникающая на поверхности трения, к концу каждого торможения будет иметь одно и то же значение (условная установившаяся температура). В этом режиме работают тормоза подъемно-транспортных машин, транспортных средств при движении в городских условиях и т.п. [2, прототип]. Такие режимы нагревания пар трения барабанно-колодочных тормозов транспортных средств используют при их испытаниях при оценке эффективности.Intermittent mode. This mode is characterized by the presence of periodically repeated processes of braking and pauses in the operation of the brake. The cooling period (pause) is relatively small, and the temperature of the friction surface does not have time to drop to ambient temperature, so each subsequent braking starts at a temperature higher than the initial temperature of the previous braking. As the temperature difference between the temperature of the brake elements and the ambient temperature increases, the amount of heat removed to the environment increases and the temperature of the friction surface slows down. After a certain number of braking, the amount of heat released into the environment becomes equal to the amount of heat generated during braking, and some conditional thermal equilibrium is created at which the temperature that arises on the friction surface will have the same value at the end of each braking (conditional steady temperature). In this mode, the brakes of hoisting-and-transport machines, vehicles when driving in urban conditions, etc. work. [2, prototype]. Such modes of heating the friction pairs of drum-shoe brakes of vehicles are used in their testing in evaluating the effectiveness.

Указанные режимы являются систематизированными и в них не учитывается тот факт, что темп нагревания поверхностей трения тормоза на два порядка выше, чем темп их вынужденного охлаждения. Кроме того, в тепловых режимах не учитывается то обстоятельство, что приповерхностные слои пар трения являются источником теплоты и холода.The indicated modes are systematized and they do not take into account the fact that the rate of heating of the friction surfaces of the brake is two orders of magnitude higher than the rate of their forced cooling. In addition, the thermal conditions do not take into account the fact that the surface layers of friction pairs are a source of heat and cold.

Целью изобретения является определение теплового режима металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза при их нагружении в стендовых условиях в результате оценки термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей при работе микротермобатарей в режимах микроэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников.The aim of the invention is to determine the thermal regime of metal-polymer friction pairs of a drum-shoe brake when they are loaded in bench conditions as a result of evaluating the thermoelectric electromotive force arising from the operation of microthermal batteries in microelectric generators and microelectric refrigerators.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенные устройства и способ определения теплового режима металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза при их нагружении в стендовых условиях имеют следующие преимущества:Compared with the analogue and prototype, the proposed device and method for determining the thermal regime of metal-polymer friction pairs of drum-shoe brakes when they are loaded in bench conditions have the following advantages:

- объясняют на микро- и наноуровнях генерирование электрической энергии с помощью микротермобатарей, образованных из пленок приповерхностных слоев пар трения;- explain at the micro- and nanoscale levels the generation of electrical energy with the help of microthermal batteries formed from films of the near-surface layers of friction pairs;

- обеспечивают достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей за счет прохождения через пленки, образовывающихся в приповерхностных слоях пар трения, основного количества аккумулируемой теплоты.- provide sufficient output power for the operation of many microthermobatteries due to the passage of the bulk of the heat accumulated through the films formed in the surface layers of friction pairs through the films.

- объясняют роль приповерхностных слоев пар трения в микротермобатареях, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников;- explain the role of the near-surface layers of friction pairs in microthermobatteries operating in microthermoelectric generators and microelectro-refrigerators;

- устанавливают соответствие генерируемой электрической энергии и аккумулируемой теплоты поверхностному тепловому состоянию пар трения барабанно-колодочного тормоза.- establish the correspondence of the generated electric energy and accumulated heat to the surface thermal state of the friction pairs of the drum-shoe brake.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве в процессе торможения при термическом сопротивлении контакта металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза возникают простые и полупроводниковые пленки, обладающие тепло- и электропроводниковыми свойствами и являющиеся множеством микротермобатарей, на спаях которых создается перепад температур с помощью теплопроводов с горячими и холодными поверхностями, в качестве которых выступают приповерхностные слои металлополимерных пар трения, а непосредственное прохождение через пленки основного количества теплоты и обеспечивает достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей. При реализации способа в качестве множества микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников, выступают пластинчатые термопары, вмонтированные в независимые пары трения, и по их термической электродвижущей силе и определяют тепловой режим пар трения тормоза.This goal is achieved by the fact that in the device during braking during thermal resistance of the contact of metal-polymer friction pairs of the drum-shoe brake, simple and semiconductor films appear that have heat and electric conductive properties and are a lot of microthermal batteries, on the junctions of which a temperature difference is created using heat conductors with hot and cold surfaces, which are the surface layers of metal-polymer friction pairs, and direct passage through film major amount of heat and provides sufficient output power for the plurality mikrotermobatarey. When implementing the method, a plurality of microthermobatteries operating in the modes of microthermoelectric generators and microelectric coolers are plate thermocouples mounted in independent friction pairs, and their thermal electromotive force determines the thermal regime of the brake friction pairs.

На фиг.1 показан продольный разрез заднего барабанно-колодочного тормоза транспортных средства; на фиг.2 проиллюстрирован общий вид пластинчатой термопары, размещенной в предохранительном корпусе; на фиг.3 изображена схема установки термопар в тормозную колодку; на фиг.4 и 5 приведены схемы пропускного и запорного токов в электронных ( $$\overline{X}$$

) и дырочных (⊕) полупроводниковых пленках фрикционных элементов; на фиг.6 и 7 проиллюстрированы схемы микротермобатарей с термоэлементами (1 и 2), работающие в режимах микротермоэлектрогенератора и микротермоэлектрохолодильника; на фиг.8, 9, 10 и 11 приведены термоэлектрические пары с замкнутой и незамкнутой цепью; условные обозначения: 1, 2- металлы; 3 - полимер; 4 - слабый электролит; $$t_1^{\text{'}}$$

, $$t_2^{\text{'}}$$

- температуры концов термоэлементов при условии, что $$t_1^{\text{'}}>t_2^{\text{'}}$$

; t₁, t₂ - поверхностные температуры пленок металлополимерных пар трения при условии, что t₁>t₂; t₃, t₄ - поверхностные температуры верхнего и нижнего слоя электролита при условии, что t₃>t₄; на фиг.12 и 13 проиллюстрированы схемы построения внешнего и внутреннего двойного электрического слоя в металлополимерной паре трения и в приповерхностном слое фрикционной накладки; условные обозначения: М - металл; П - полимер; на фиг.14-17 показаны контактные явления в паре трения "металл (M₂) - полимер (П₁)" при работе накладки ниже (фиг.14) и выше (фиг.16) допустимой температуры для ее фрикционных материалов и в случае установления равновесия (фиг.15 и 17); на фиг.18 и 19 проиллюстрированы закономерности изменения тока электризации во времени (τ) прямой ("колодочка-диск") и обратной ("диск-колодочка") пары трения при разных скоростях скольжения (V) и удельных нагрузках (p): фиг.18 - V=0,3 м/с (1); V=0,8 м/с (2); V=1,5 м/с (3); при p=0,1 МПа; фиг.19 - V=0,5 м/с (1); V=1,0 м/с (2); V=1,5 м/с (3); V=2,0 м/с (4) при р=0,15 МПа; ↑ - обозначены моменты разрушения полимерных колодок.Figure 1 shows a longitudinal section of a rear drum-shoe brake of a vehicle; figure 2 illustrates a General view of a plate thermocouple placed in a safety case; figure 3 shows a diagram of the installation of thermocouples in the brake pad; Figures 4 and 5 show diagrams of the pass-through and shut-off currents in electronic ( $$\overline{X}$$

) and hole (⊕) semiconductor films of friction elements; Figures 6 and 7 illustrate schemes of microthermobatteries with thermocouples (1 and 2) operating in the modes of a microthermoelectric generator and a microthermoelectric refrigerator; on Fig, 9, 10 and 11 shows thermoelectric pairs with a closed and open circuit; legend: 1, 2 - metals; 3 - polymer; 4 - weak electrolyte; $$t_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}$$

, $$t_2^{\text{'}\text{'}}$$

- the temperature of the ends of the thermocouples, provided that $$t_{\mathrm{one}}^{\text{'}\text{'}}>t_2^{\text{'}\text{'}}$$

; t ₁ , t ₂ - surface temperatures of films of metal-polymer friction pairs, provided that t ₁ > t ₂ ; t ₃ , t ₄ - surface temperatures of the upper and lower electrolyte layer, provided that t ₃ > t ₄ ; on Fig and 13 illustrate the construction of the outer and inner double electric layer in the metal-polymer pair of friction and in the surface layer of the friction lining; legend: M - metal; P is a polymer; on Fig-17 shows the contact phenomena in the pair of friction "metal (M ₂ ) - polymer (P ₁ )" when the lining is below (Fig) and above (Fig) the allowable temperature for its friction materials and in the case establishing equilibrium (FIGS. 15 and 17); FIGS. 18 and 19 illustrate the patterns of change in the electrification current in time (τ) of the forward (“disk-disk”) and reverse (“disk-disk”) friction pairs at different sliding speeds (V) and specific loads (p): FIG. .18 - V = 0.3 m / s (1); V = 0.8 m / s (2); V = 1.5 m / s (3); at p = 0.1 MPa; Fig.19 - V = 0.5 m / s (1); V = 1.0 m / s (2); V = 1.5 m / s (3); V = 2.0 m / s (4) at p = 0.15 MPa; ↑ - moments of destruction of polymer blocks are indicated.

Барабанно-колодочный тормоз содержит тормозной барабан 1, имеющего 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 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».Inside the brake drum 1, brake pads 14 are installed, to the base 15 of which, with rivets 16, friction pads 17 are attached having a working surface 18. On the latter, grooves 19 are made around the entire circumference of the pads, dividing their working surfaces 18 into separate sectors 20. The rim 2 drums 1 of four independent disks 6 and sectors 20 of friction linings 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."

С нерабочей стороны основания 15 колодки 14 размещены их ребра жесткости 21, которые между собой соединены пальцем 22 с проточкой 23. В последнюю посажена оттяжная цилиндрическая пружина 24.On the non-working side of the base 15 of the block 14, their stiffening ribs 21 are placed, which are interconnected by a finger 22 with a groove 23. The last has a retractable coil spring 24.

Со свободного края обода 2 тормозного барабана 1 установлен направляющий диск 25, к которому крепятся тормозные колодки 14.From the free edge of the rim 2 of the brake drum 1 is installed a guide disk 25, to which the brake pads 14 are attached.

В каждом из секторов 20 фрикционной накладки 17 монтируются пластинчатые термопары с термоэлектродами 26, изготовленными из хромеля (+) и копеля (-), между которыми расположен слой изоляции 27. Каждая из термопар размещена в корпусе 28. Устанавливаются пластинчатые термопары в отверстия 29 во фрикционной накладке 17, а в основании 15 колодки 14 выполнены отверстия 30, через которые пропущены выводы 31 и 32 термопар. Термоэлектроды 26 первой и второй термопары расположены заподлицо сектора 20 накладки 17, т.е. на ее рабочей поверхности 18.In each of the sectors 20 of the friction lining 17, plate thermocouples with thermoelectrodes 26 made of chromel (+) and copel (-) are mounted, between which an insulation layer 27 is located. Each of the thermocouples is placed in the housing 28. Plate thermocouples are installed in the holes 29 in the friction the plate 17, and in the base 15 of the block 14 holes 30 are made through which the leads 31 and 32 of the thermocouples are passed. The thermoelectrodes 26 of the first and second thermocouples are located flush with the sector 20 of the lining 17, i.e. on its working surface 18.

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 с фрикционными накладками 17, которые своими рабочими поверхностями 18 взаимодействуют с рабочими поверхностями 3 обода 2 тормозного барабана 1. В результате единичных, длительных или циклических торможений достигается генерирование электрических токов на поверхностях трения тормоза. При этом токи нагревают приповерхностные слои рабочей поверхности 3 обода 2 барабана 1 и секторов 20 фрикционной накладки 17 и проникают в них вглубь. Таким образом, генерируемые на поверхности трения токи способствуют возникновению поверхностной температуры, а проникающая вглубь пар трения теплота способствует развитию объемной температуры. Возникающие при взаимодействии пар трения тормоза разрядные токи способствуют возникновению температур вспышки.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. During braking with a drum-shoe brake, an expanding fist (not shown) spreads brake pads 14 with friction linings 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 single, prolonged or cyclic braking, generation is achieved electric currents on friction surfaces of the brake. In this case, the currents heat the surface layers of the working surface 3 of the rim 2 of the drum 1 and sectors 20 of the friction lining 17 and penetrate deep into them. Thus, the currents generated on the friction surface contribute to the appearance of surface temperature, and the heat penetrating deep into the friction pairs contributes to the development of volumetric temperature. The discharge currents arising from the interaction of brake friction pairs contribute to the occurrence of flash temperatures.

В процессе работы пар трения барабанно-колодочных тормозов транспортных средств (так и в других фрикционных системах) возможно одновременное взаимодействие рабочей поверхности фрикционной накладки с:During the operation of friction pairs of drum-shoe brakes of vehicles (as in other friction systems), the simultaneous interaction of the working surface of the friction lining with:

- ювенильной и неювенильной поверхностью обода барабана;- juvenile and non-juvenile surface of the drum rim;

- окисными и неокисными пленками поверхности обода барабана;- oxide and non-oxide films of the surface of the rim of the drum;

- перенесенным на обод барабана слоем фрикционного материала.- a layer of friction material transferred to the drum rim.

Особое место отводится термическому сопротивлению контакта металлополимерных пар трения тормоза в проблеме создания полупроводниковых микротермоэлектробатарей, работающих в режиме микротермоэлектрогенераторов или микротермоэлектрохолодильников.A special place is given to thermal contact resistance of metal-polymer brake friction pairs in the problem of creating semiconductor microthermoelectric batteries operating in the mode of microthermoelectric generators or microthermoelectric refrigerators.

В классической схеме для получения перепада температур на спаях микротермоэлементов батарей необходимо подвести и отвести теплоту с помощью теплопроводов, имеющих горячие и холодные поверхности и контактирующих с коммутационной поверхностью микротермоэлектробатарей через электрическую микроизоляцию. В качестве теплопроводов с горячими и холодными поверхностями выступают приповерхностные слои металлического обода барабана и фрикционной накладки, имеющие различные коэффициенты теплопроводности материалов, отличающиеся для металлополимерных пар трения в среднем в 78,0-97,5 раза. В качестве микроизоляции во фрикционном контакте выступают пленки окислов (рабочая поверхность обода тормозного барабана) и пленки мягкой составляющей трения (рабочая поверхность фрикционной накладки). При этом как простые, так и полупроводниковые пленки должны обладать тепло- и электропроводными свойствами. Поэтому непосредственное прохождение через пленки основного количества теплоты и обеспечивает достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников.In the classical scheme, in order to obtain the temperature difference on the junctions of the microthermoelements of the batteries, it is necessary to supply and remove heat using heat conductors having hot and cold surfaces and in contact with the switching surface of the microthermoelectric batteries through electrical micro isolation. As surface conductors with hot and cold surfaces, the surface layers of the metal rim of the drum and the friction lining are used, which have different coefficients of thermal conductivity of materials, differing by an average of 78.0-97.5 times for metal-polymer friction pairs. The films of oxides (the working surface of the rim of the brake drum) and the films of the soft friction component (the working surface of the friction lining) act as micro insulation in the friction contact. In this case, both simple and semiconductor films must have heat and conductive properties. Therefore, the direct passage through the films of the bulk of the heat provides sufficient output power for the operation of many microthermobatteries in the modes of microthermoelectric generators and microthermoelectric refrigerators.

В полупроводниковых пленках встречаются и такие примесные атомы, электроны которых слабо связаны и легче, чем электроны металлического обода барабана переходят в свободные возбужденные состояния, а сами атомы превращаются в отрицательные неподвижные ионы. Тогда в токе участвуют только отрицательные электроны, ток и называется «электронным».In semiconductor films, there are also such impurity atoms, the electrons of which are weakly bound and lighter than the electrons of the metal rim of the drum pass into free excited states, and the atoms themselves turn into negative stationary ions. Then only negative electrons participate in the current, the current is called "electronic".

Полупроводники с дырочным эффектом тока называют полупроводниками p - типа (положительными), а электронные n - типа (отрицательными).Semiconductors with a hole current effect are called p-type semiconductors (positive), and n-type semiconductors (negative).

При этом полупроводниковые пленки фрикционных элементов играют роль при эффекте электризации в передаче пропускного и запорного тока (фиг.4 и 5). При одном направлении тока дырки в полупроводниковой пленке и электроны в другой движутся навстречу друг другу и создают пропускной ток, при противоположном направлении тока они расходятся, увеличивая сопротивление непроводящего запорного слоя.In this case, the semiconductor films of the friction elements play a role in the electrification effect in transmitting the pass-through and shut-off currents (FIGS. 4 and 5). With one direction of the current, the holes in the semiconductor film and the electrons in the other move towards each other and create a passing current, with the opposite direction of the current they diverge, increasing the resistance of the non-conducting barrier layer.

Иногда достаточно 1% примесных атомов в материале фрикционных накладок (в приповерхностных слоях), чтобы повысить концентрацию свободных электронов или дырок в миллион раз. Во сколько же раз возрастет при этом и электропроводность полупроводниковой пленки.Sometimes 1% of impurity atoms in the material of the friction linings (in the surface layers) is enough to increase the concentration of free electrons or holes by a million times. How many times will the electrical conductivity of the semiconductor film increase.

Введение тех или иных примесей в состав полупроводниковых пленок, которые формируются при взаимодействии пар трения, позволит управлять в широких пределах электропроводностью и изменять знак носителей тока. Кроме того, разнообразие полупроводящих материалов, охватывающих ряд элементов (В, С, Si, Ge, S, Se, Те, Р, As), сплавов (Mg₃Sb₂, ZnSb, Mg₂Sn, CdSb, AlSb, InSb, GeSb), окислов (Al₂O₃, Cu₂O, ZnO, TiO₂, UO₂, WO₃, MoO₂), сульфидов (Cu₂S, Ag₂S, ZnS, CdS, HgS), соленидов и теллуридов и множество более сложных соединений, позволяет подобрать для каждой конкретной пары трения тормозных устройств наиболее подходящие материалы.The introduction of certain impurities into the composition of semiconductor films that are formed during the interaction of friction pairs will allow one to control the electrical conductivity over a wide range and change the sign of current carriers. In addition, a variety of semiconducting materials covering a number of elements (B, C, Si, Ge, S, Se, Te, P, As), alloys (Mg ₃ Sb ₂ , ZnSb, Mg ₂ Sn, CdSb, AlSb, InSb, GeSb ), oxides (Al ₂ O ₃ , Cu ₂ O, ZnO, TiO ₂ , UO ₂ , WO ₃ , MoO ₂ ), sulfides (Cu ₂ S, Ag ₂ S, ZnS, CdS, HgS), solenides and tellurides and many more complex joints, allows you to choose the most suitable materials for each specific friction pair of brake devices.

При этом необходимо учитывать тот факт, что система "металл-полимер" при интенсивном трении находится в неуравновешенном термодинамическом состоянии. В то же время взаимодействие частиц внутри микроскопически малых объемов, которыми являются термоэлементы микротермобатарей, гораздо сильнее, чем с элементами других частиц системы. В результате этого каждый такой объем можно считать находящимся в равновесии, а между отдельными объектами системы и в ней равновесие отсутствует.In this case, it is necessary to take into account the fact that the metal-polymer system with intense friction is in an unbalanced thermodynamic state. At the same time, the interaction of particles inside microscopically small volumes, which are thermoelements of microthermobatteries, is much stronger than with elements of other particles of the system. As a result of this, each such volume can be considered to be in equilibrium, and there is no equilibrium between the individual objects of the system and in it.

Рассмотрим принцип работы микротермобатарей, состоящих из двух электропроводных материалов с разными проводимостями (фиг.6), при таких температурах поверхности трения, когда в приповерхностном слое накладок деструктивные изменения еще не начались.Consider the principle of operation of microthermal batteries, consisting of two electrically conductive materials with different conductivities (Fig.6), at such temperatures of the friction surface, when destructive changes have not yet begun in the surface layer of the linings.

Концы термоэлементов 1 и 2 соединены металлическим мостиком с сопротивлением R, являющимся окисной пленкой. Она обладает полупроводниковыми свойствами, находится в элементарном объеме приповерхностного слоя обода тормозного барабана и выполняет функции горячего спая микротермобатареи. Электронная проводимость термоэлемента 1 обусловлена массопереносом фрикционных материалов накладки на рабочую поверхность обода барабана. В элементарном объеме приповерхностного слоя фрикционной накладки находится мягкая окислительная пленка с полупроводниковыми свойствами, которая соединяет вторые концы термоэлементов электрической цепью. При трении температура соединительного мостика увеличивается по сравнению с температурой То холодных концов термоэлементов (T>To), тепловая энергия атомов горячего конца термоэлементов возрастает. Она выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в термоэлементе 1 на горячем конце появляется большее количество свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном конце, вследствие чего он заряжается отрицательно. В связи с тепловым движением атомов в термоэлементе 2 некоторая часть электронов выносится из рабочей зоны. На их месте появляются свободные электроны, которые имеют положительный заряд. Направление перемещения положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, вследствие чего они ускоряются. В то же время электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей. При этом за счет адсорбции кислорода часть поверхности окисной пленки в элементарном объеме приповерхностного слоя накладки заряжается отрицательно, являясь холодным концом термоэлемента 1. При замыкании цепи в ней наблюдается электрический ток, обусловленный разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а микротермобатарея является микротермоэлектрогенератором.The ends of thermocouples 1 and 2 are connected by a metal bridge with a resistance R, which is an oxide film. It has semiconductor properties, is located in the elementary volume of the surface layer of the rim of the brake drum and performs the functions of a hot junction of microthermal batteries. The electronic conductivity of the thermocouple 1 is due to the mass transfer of the friction materials of the lining on the working surface of the drum rim. In the elementary volume of the surface layer of the friction lining is a soft oxidizing film with semiconductor properties, which connects the second ends of the thermocouples with an electric circuit. During friction, the temperature of the connecting bridge increases in comparison with the temperature T0 of the cold ends of thermocouples (T> To), the thermal energy of the atoms of the hot end of thermocouples increases. It performs the work of transitioning electrons to a free state. In this regard, in thermocouple 1, a larger amount of free electrons and with a higher thermal energy appears on the hot end than at the cold end, as a result of which it is negatively charged. In connection with the thermal motion of atoms in thermoelement 2, some of the electrons are carried out of the working zone. In their place appear free electrons that have a positive charge. The direction of movement of the positive charges coincides with the direction of the electric field, as a result of which they are accelerated. At the same time, electrons moving against the electric field slow down and pass into the zone of lower speeds. Moreover, due to oxygen adsorption, part of the surface of the oxide film in the elementary volume of the surface layer of the lining is negatively charged, being the cold end of thermocouple 1. When the circuit is closed, an electric current is observed in it, due to the temperature difference. In fact, the Seebeck effect takes place, and the microthermobattery is a microthermoelectric generator.

Рассмотрим работу микротермобатареи при условии, что температура поверхности фрикционной накладки превысила допустимую. Как видно из фиг.7, полярность термоэлементов 1 и 2 при условии T=To стала противоположной фиг.6. При этом приповерхностный слой фрикционной накладки претерпевает деструктивные изменения, а поверхности трения подвергаются адсорбционно-десорбционному воздействию.Consider the operation of microthermal batteries, provided that the surface temperature of the friction lining exceeds the permissible value. As can be seen from Fig.7, the polarity of thermocouples 1 and 2 under the condition T = To became the opposite of Fig.6. In this case, the surface layer of the friction lining undergoes destructive changes, and the friction surfaces undergo adsorption-desorption effects.

Если по внутренней цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (T=To), протекает электрический ток в направлении, указанном на фиг.7, то свободные электроны, находящиеся в термоэлементе 1, приобретают направленное движение от спая (а) к спаю (в). Их движение является замедленным, поскольку они тормозятся электрическим током. Движение электронов от спая (а) к спаю (в) сопровождается переносом энергии. На спае (а) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают прирост кинетической энергии. На конце (в), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки окисленной пленки приповерхностного слоя обода барабана, они отдают энергию указанному спаю. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) нагревается. Скопление электронов на спае (в) способствует тому, что этот спай заряжается отрицательно, а спай (а) - положительно.If an electric current flows in the internal circuit, all elements of which are in the same temperature conditions (T = To), in the direction indicated in Fig. 7, then the free electrons located in thermocouple 1 acquire directional motion from the junction (a) to the junction (at). Their movement is slow because they are inhibited by electric current. The movement of electrons from the junction (a) to the junction (c) is accompanied by energy transfer. At the junction (a), electrons, taking away the energy of atoms, acquire an increase in kinetic energy. At the end (c), colliding with the atoms of the crystal lattice of the oxidized film of the surface layer of the drum rim, they give energy to the specified junction. In this regard, the junction (a) is cooled, and the junction (c) is heated. The accumulation of electrons on the junction (c) contributes to the fact that this junction is charged negatively, and junction (a) - positively.

В термоэлементе 2, который соединен с термоэлементом 1 мостиком с сопротивлением R, состоящим из электролита, направление электрического тока совпадает с направлением движения ионов: от спая (а') к спаю (в'). В результате этого они ускоряются. Наиболее интенсивное движение электронов наблюдается около спая (в'). Образование электронов в элементарном объеме приповерхностного слоя обода барабана связано с ионизацией газовой смеси возле него, а также десорбцией влаги в нем. В самом же элементарном объеме приповерхностного слоя обода движение свободных электронов происходит против направления электрического тока. При этом электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, которая тратится на нагревание этого спая. По мере передвижения от спая (в') к спаю (а') вдоль ветви термоэлемента 1 энергия электронов уменьшается, в результате чего спай (а') охлаждается. Скопление ионов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, в общем спай (а') заряжен положительно.In thermocouple 2, which is connected to thermocouple 1 with a bridge of resistance R consisting of an electrolyte, the direction of the electric current coincides with the direction of movement of the ions: from the junction (a ') to the junction (b'). As a result of this, they are accelerated. The most intense electron motion is observed near the junction (in '). The formation of electrons in the elementary volume of the surface layer of the rim of the drum is associated with the ionization of the gas mixture near it, as well as the desorption of moisture in it. In the elementary volume of the near-surface rim layer, the movement of free electrons occurs opposite the direction of the electric current. In this case, electrons colliding with atoms increase their internal energy, which is spent on heating this junction. As you move from the junction (in ') to the junction (a') along the branch of thermocouple 1, the electron energy decreases, as a result of which the junction (a ') cools. The accumulation of ions at this junction causes its negative charge, in general, the junction (a ') is positively charged.

Движение тока инверсии через микротермобатарею приводит к перепаду температур на ее спаях. На спае (а') теплота поглощается, на спае (в') - выделяется. В этом случае микротермобатарея работает в режиме микротермоэлектрохолодильника. Микротермобатареи могут быть расположены относительно поверхности трения барабанно-колодочного тормоза в поперечном и продольном направлении.The movement of the inversion current through the microthermobattery leads to a temperature difference at its junctions. At the junction (a '), heat is absorbed, at the junction (b') it is released. In this case, the microthermobattery operates in the microthermoelectric refrigerator mode. Microthermal batteries can be located in the transverse and longitudinal directions relative to the friction surface of the drum-shoe brake.

Пары трения тормоза взаимодействуют в гиротропной среде и подвержены гальвано- и термомагнитным эффектам. Различают следующие эффекты: поперечный и продольный гальваномагнитные и поперечный и продольный термомагнитные. Перечисленные эффекты зависят от напряженности магнитного поля, вызываемой электрическим полем. Закономерности для поперечных и продольных эффектов носят характер линейных и квадратичных зависимостей с учетом того, что в парах трения тормоза наводятся слабые магнитные поля.Friction pairs of the brake interact in a gyrotropic medium and are subject to galvanic and thermomagnetic effects. The following effects are distinguished: transverse and longitudinal galvanomagnetic and transverse and longitudinal thermomagnetic. The listed effects depend on the magnetic field strength caused by the electric field. Patterns for transverse and longitudinal effects are linear and quadratic dependencies, given the fact that weak magnetic fields are induced in the friction pairs of the brake.

В дополнении к микротермобатареям, представленным на фиг.6 и 7, проиллюстрируем термоэлектрические пары с замкнутой (фиг.8, 9, 10) и незамкнутой (фиг.11) цепью. Замкнутая цепь (фиг.10) свойственна накладке, когда ее фрикционные материалы приповерхностного слоя достигают температуры выше допустимой.In addition to the microthermal batteries shown in Figs. 6 and 7, we illustrate thermoelectric pairs with a closed (Fig. 8, 9, 10) and open (Fig. 11) circuit. A closed chain (figure 10) is characteristic of the patch when its friction materials of the surface layer reach a temperature higher than permissible.

Вследствие теплового движения электронов проводимости могут выходить из металлического обода барабана в процессе торможения в межконтактный зазор между металлополимерными парами трения тормоза. В результате вылета электронов из обода барабана в межконтактном зазоре образуется внешний двойной электрический слой в несколько межатомных расстояний. Приповерхностный слой обода оказывается заряженным положительно, а рабочая поверхность накладки - отрицательно (см. фиг.12). Между металлом обода, точнее плоскостью X₁ и плоскостью Х₂ фрикционной накладки, возникает разность потенциалов ∆φ₁, способствующая возникновению внешней электрической цепи. При достижении приповерхностными слоями материалов накладки допустимой температуры и выше ее образуются островки жидкости (электролита) в результате адсорбционно-десорбционных и деструктивных изменений в них (фиг.13). Между плоскостями Х₂ и Х₃ находится внутренний двойной электрический слой, способствующий возникновению разности потенциалов ∆φ₂, и как следствие, внутренней электрической цепи.Due to the thermal motion of conduction electrons, they can exit the metal rim of the drum during braking to the contact gap between the metal-polymer friction pairs of the brake. As a result of the escape of electrons from the rim of the drum in the contact gap, an external double electric layer is formed at several interatomic distances. The surface layer of the rim is positively charged, and the working surface of the lining is negative (see Fig. 12). Between the rim metal, more precisely the X ₁ plane and the X ₂ plane _{of the} friction lining, a potential difference ∆φ ₁ arises, which contributes to the appearance of an external electrical circuit. When the surface layers of the lining materials reach an acceptable temperature and above it, islands of liquid (electrolyte) are formed as a result of adsorption-desorption and destructive changes in them (Fig. 13). Between the X ₂ and X ₃ planes there is an internal double electric layer, which contributes to the occurrence of the potential difference ∆φ ₂ , and as a result, the internal electric circuit.

Рассмотрим контактное явление в случае пары трения "металл-полимер", разделенных тонким вакуумным зазором, при температуре фрикционных материалов полимера ниже допустимой (фиг.14). Контактная разность потенциалов (φ) определяется как разность между электрическим потенциалом (уровнем Ферми) Е_ф металла (М₂) и полимерным материалом (П₁). На фиг.14 поверхностный потенциальный барьер показан пунктирной линией, а уровни Ферми «металл-полимер» сплошными горизонтальными линиями. Представленная схема отвечает начальному моменту, когда металл и полимер расположены на расстоянии d_o, при котором возможный эффективный обмен электронами ионами.Consider the contact phenomenon in the case of a metal-polymer friction pair, separated by a thin vacuum gap, at a temperature of polymer friction materials below the permissible level (Fig. 14). The contact potential difference (φ) is defined as the difference between the electric potential (Fermi level) E _{f of the} metal (M ₂ ) and the polymer material (P ₁ ). 14, the surface potential barrier is shown by a dashed line, and the metal-polymer Fermi levels are solid horizontal lines. The presented scheme corresponds to the initial moment when the metal and polymer are located at a distance d _o at which a possible effective exchange of electrons by ions is possible.

Согласно фиг.14 при условии, если φ₂>φ₁, то j₂>j₁, и будет совершаться перенос электронов слева направо. При этом поверхность металла заряжена положительно, а полимера - отрицательно. В зазоре возникает внешнее электрическое поле $$E_K^{\left(вн\right)}$$

и соответствующая разность потенциалов $$U_K^{\left(вн\right)}$$

. В этом случае условием равновесия является равенство уровней Ферми. При этом токи выравниваются, т.e. j₁=j₂ (см. фиг.15). Данное равенство означает, что потенциальный барьер для электронов, которые движутся слева направо, т.е. $${\varphi }_2+e{U}_K^{\left(вн\right)}$$

, должны быть равным потенциальному барьеру для ионов, которые движутся справа налево, т.е. φ₁. Другими словами справедливо равенствоAccording to Fig. 14, provided that φ ₂ > φ ₁ , then j ₂ > j ₁ , and the transfer of electrons from left to right will occur. In this case, the metal surface is positively charged, and the polymer is negatively charged. An external electric field appears in the gap $$E_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}$$

and corresponding potential difference $$U_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}$$

. In this case, the equilibrium condition is the equality of the Fermi levels. In this case, the currents are equalized, i.e. j ₁ = j ₂ (see Fig. 15). This equality means that the potential barrier for electrons that move from left to right, i.e. $${\varphi }_2+e{U}_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}$$

must be equal to the potential barrier for ions that move from right to left, i.e. φ ₁ . In other words, equality holds.

$${\varphi }_2+e{U}_K^{\left(вн\right)}={\varphi }_1,\left(1\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\phi "\; filenames="00000024.png,00000025.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_2+e{U}_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}={\varphi }_{\mathrm{one}},\left(\mathrm{one}\right)$$

Таким образом, после установления равновесия возникает контактная разность потенциалов.Thus, after equilibrium is established, a contact potential difference arises.

$$U_K^{\left(вн\right)}=\frac{{\varphi }_2-{\varphi }_1}{e},\left(2\right)$$

$$U_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}=\frac{{\varphi }_2-{\varphi }_{\mathrm{one}}}{e},\left(2\right)$$

Более сложным является случай, когда рассматривается пара трения «металл-полимер», разделенная тонким вакуумным зазором, при температуре фрикционных материалов полимера выше допустимой (фиг.16). В этом случае поверхностный потенциальный барьер (показан пунктирной линией) является одинаковым (j₂=j₁) в связи с тем, что фрикционные материалы полимера достигают допустимой температуры и происходят деструктивные процессы в его приповерхностных слоях. Последние и привели к образованию в них жидкостных островков.More complicated is the case when a metal-polymer friction pair is considered, separated by a thin vacuum gap, at a temperature of polymer friction materials higher than the permissible one (Fig. 16). In this case, the surface potential barrier (shown by the dashed line) is the same (j ₂ = j ₁ ) due to the fact that the friction materials of the polymer reach an acceptable temperature and destructive processes occur in its surface layers. The latter led to the formation of liquid islets in them.

Последние являются слабыми электролитами, которые разрешают водороду или металлу стать положительными зарядами (катионами), а кислотный радикал жидкостей получает отрицательный заряд, образуя таким образом анионы. Толщины жидкости, которые находятся в приповерхностных слоях насыщены катионами и анионами, образуя между собой внутреннее электрическое поле $$E_K^{\left(вт\right)}$$

с соответствующей разностью потенциалов $$U_K^{\left(вт\right)}$$

. При этом $$E_K^{\left(вт\right)}$$

становится намного большим $$E_K^{\left(вн\right)}$$

. Исходя из равенства j₂=j₁ (фиг.17) получаем, что потенциальный барьер для катионов, которые движутся справа налево, т.е. $${\varphi }_1+k{U}_K^{\left(ВТ\right)}$$

, должен быть равным потенциальному барьеру для электронов, которые движутся слева направо, т.е. φ₂. Выходит, что имеет место равенствоThe latter are weak electrolytes that allow hydrogen or a metal to become positive charges (cations), and the acid radical of liquids receives a negative charge, thus forming anions. The thicknesses of the liquid that are in the surface layers are saturated with cations and anions, forming an internal electric field $$E_K^{\left(\mathrm{at}t\right)}$$

with corresponding potential difference $$U_K^{\left(\mathrm{at}t\right)}$$

. Wherein $$E_K^{\left(\mathrm{at}t\right)}$$

getting so much bigger $$E_K^{\left(\mathrm{at}n\right)}$$

. Based on the equality j ₂ = j ₁ (Fig. 17), we obtain that the potential barrier for cations that move from right to left, i.e. $${\varphi }_{\mathrm{one}}+k{U}_K^{\left(\mathrm{AT}T\right)}$$

must be equal to the potential barrier for electrons that move from left to right, i.e. φ ₂ . It turns out that equality holds

$${\varphi }_1+e{U}_K^{\left(ВТ\right)}={\varphi }_2\left(3\right)$$

$${\varphi }_{\mathrm{one}}+e{U}_K^{\left(\mathrm{AT}T\right)}={\varphi }_2\left(3\right)$$

После установления равновесия возникает контактная разница потенциаловAfter equilibrium is established, the contact potential difference

$$U_K^{\left(ВТ\right)}=\frac{{\varphi }_1-{\varphi }_2}{k}.\left(4\right)$$

$$U_K^{\left(\mathrm{AT}T\right)}=\frac{{\varphi }_{\mathrm{one}}-{\varphi }_2}{k}.\left(\mathrm{four}\right)$$

Рассмотрим на нанотрибологическом уровне процессы нагревания, которые происходят в парах трения различных типов.Let us consider at the nanotribological level the heating processes that occur in friction pairs of various types.

Диаграмма изменения в прямой ("колодочка - диск") паре трения (фиг.12), полученной на машине трения и износа СМЦ-2 в лабораторных условиях, показала, что токи являются нестабильными (кривые 1 и 2). Указанные кривые берут начало при одинаковом отрицательном направлении токов, а потом кривая 2 при нагрузке в 2,0 Н переходит в зону положительного направления токов. Вид кривой 3 существенно отличается от кривых 1 и 2. Даная кривая начинается при максимальном значении отрицательного направления тока (-9,7 нА), пересекает ось абсцисс при нагрузке 1,35 Н и подымается до максимального значения положительного направления тока (5,2 нА). В интервале нагрузки от 4,5 Н до 7,3 Н имеет место почти одинаковое апериодическое изменение направления токов. При 7,3 Н величина с положительного направления тока (4,5 нА) изменяется на отрицательную (-11,75 нА). Изменение направления тока (кривая 3) происходит при скорости скольжения V=l,5 м/с.The diagram of changes in a straight ("block - disk") friction pair (Fig. 12) obtained on the SMC-2 friction and wear machine under laboratory conditions showed that the currents are unstable (curves 1 and 2). These curves originate at the same negative current direction, and then curve 2 at a load of 2.0 N goes into the zone of positive current direction. The appearance of curve 3 differs significantly from curves 1 and 2. This curve starts at the maximum value of the negative current direction (-9.7 nA), crosses the abscissa axis at a load of 1.35 N and rises to the maximum value of the positive current direction (5.2 nA ) In the load interval from 4.5 N to 7.3 N, an almost aperiodic change in the direction of currents takes place. At 7.3 N, the value from the positive current direction (4.5 nA) changes to negative (-11.75 nA). A change in the direction of the current (curve 3) occurs at a sliding velocity V = l, 5 m / s.

С диаграммы кинетики тока в обратной паре трения (диск изготовлен из фрикционного материала, а колодочка из металла) (фиг.13) видно, что при низких скоростях трения (кривая 1) величина тока электризации в начальный момент трения увеличивается, а потом остается практически постоянной. Можно считать, что система находится в нестабильном состоянии. С увеличением скорости скольжения (кривые 2-4) происходит изменение направления (инверсия) тока электризации (соответственно, при силе F, которая равнялась 10,5; 3,0 и 2,0 Н). При этом инверсия токов имела характер множества. С увеличением скорости скольжения число инверсий также увеличивается и при этом наблюдается рост абсолютной величины тока электризации в начальный период работы.From the diagram of the kinetics of the current in the reverse friction pair (the disk is made of friction material, and the shoe is made of metal) (Fig. 13), it can be seen that at low friction speeds (curve 1), the magnitude of the electrification current increases at the initial moment of friction, and then remains almost constant . We can assume that the system is in an unstable state. With an increase in the sliding speed (curves 2-4), the direction (inversion) of the electrification current changes (respectively, with a force F, which was 10.5, 3.0, and 2.0 N). In this case, the inversion of the currents was of the nature of many. With an increase in the sliding speed, the number of inversions also increases, and at the same time, the absolute value of the electrification current increases in the initial period of operation.

Анализ токовых диаграмм для прямой и обратной пар трения (см. фиг.12 и 13) показал, что в обеих случаях имели место как положительные так и отрицательные величины токов электризации в зависимости от режима торможения. Кроме того, это подтверждает истину о том, что в металлополимерных парах трения образуется множество микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников.Analysis of current diagrams for the forward and reverse friction pairs (see Figs. 12 and 13) showed that in both cases there were both positive and negative values of the electrification currents depending on the braking mode. In addition, this confirms the truth that many microthermobatteries operating in the modes of microthermoelectric generators and microthermoelectric refrigerators are formed in metal-polymer friction pairs.

В зависимости от того какое суммарное количество микротермобатарей за процесс торможения металлополимерными парами трения тормоза работает в режиме микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников и определяют тепловые режимы их нагревания. Последние по своей природе являются нестационарными и переменными.Depending on the total number of microthermobatteries during braking by metal-polymer pairs of friction, the brakes operate in the mode of microthermoelectric generators and microthermoelectric refrigerators and determine the thermal modes of their heating. The latter are inherently non-stationary and variable.

Термоэлектрические э.д.с. в парах трения "металл-металл" и "полупроводниковые соединения - металл" приведены в табл.1. Из последней следует, что в режимах термоэлектрогенераторов будут работать термопары, составленные из материалов, имеющих положительную термоэлектрическую э.д.с., а в режимах термоэлектрохолодильников - отрицательную термоэлектрическую э.д.с.Thermoelectric emf in friction pairs "metal-metal" and "semiconductor compounds - metal" are given in table 1. It follows from the latter that thermocouples composed of materials having positive thermoelectric emf will work in thermoelectric generators modes, and negative thermoelectric emf in thermoelectric coolers modes.

Количество термопар, вмонтированных в сектора 20 фрикционных накладок 17 колодок 14, работающих в режимах термоэлектрогенераторов и термоэлектрохолодильников, и определяет тепловой режим пар трения барабанно-колодочного тормоза.The number of thermocouples mounted in sector 20 of the friction linings 17 of the pads 14, operating in the modes of thermoelectric generators and thermoelectric refrigerators, determines the thermal regime of friction pairs of the drum-shoe brake.

Характеристики тепловых режимов металлополимерных пар трения барабанно-колодочных тормозов проиллюстрированы в табл.2. Рассмотрены единичный, повторно-кратковременный и длительный режим торможения барабанно-колодочным тормозом в стендовых условиях, исходя из генерируемых токов в металлополимерных парах трения термоэлектрогенераторами и термоэлектрохолодильниками.The characteristics of thermal conditions of metal-polymer friction pairs of drum-shoe brakes are illustrated in Table 2. A single, repeated, short-term and long-term mode of braking by a drum-shoe brake under bench conditions, based on the generated currents in metal-polymer friction pairs by thermoelectric generators and thermoelectric refrigerators, is considered.

Увеличение и уменьшение теплового состояния металлополимерных пар трения обусловлено количеством термопар, работающих в том или ином режиме. Установившейся тепловой режим пар трения достигается одинаковым количеством термопар, работающих в режиме термоэлектрохолодильника и термоэлектрогенератора. Стабилизационное тепловое состояние обода тормозного барабана наступает при повторно-кратковременном или длительном режимах торможения когда приповерхностные слои фрикционных накладок достигнут допустимой температуры для их материалов или выше ее и в них будут происходить адсорбционно-десорбционные процессы и деструктивные изменения, а также при выравнивании объемных температур обода барабана и его фланца. В этом случае большинство термопар работает в режиме термоэлектрохолодильников.The increase and decrease in the thermal state of metal-polymer friction pairs is due to the number of thermocouples operating in one mode or another. The steady thermal regime of friction pairs is achieved by the same number of thermocouples operating in the thermoelectric cooler and thermoelectric generator mode. The stabilization thermal state of the brake drum rim occurs during intermittent or long-term braking conditions when the surface layers of the friction linings reach an acceptable temperature for or above their materials and adsorption-desorption processes and destructive changes occur in them, as well as during equalization of the volume temperature of the drum rim and its flange. In this case, most thermocouples operate in thermoelectric refrigerators mode.

Таким образом, на основании электродинамики в металлополимерных парах трения тормоза в зависимости от реализуемых в нем тормозных режимов оценено тепловое состояние их узлов трения при работе термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника.Thus, on the basis of electrodynamics in metal-polymer friction pairs of brakes, depending on the brake regimes implemented in it, the thermal state of their friction nodes was estimated during the operation of thermopiles in the thermoelectric generator and thermoelectric cooler modes.

Источники информацииInformation sources

1. Патент России №2134368, кл. F16D 65/813 за 1999 [аналог].1. Patent of Russia No. 2134368, cl. F16D 65/813 for 1999 [analog].

2. Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении / М.П. Александров. - М.: Машиностроение, 1965. - С.591-592 [прототип].2. Alexandrov M.P. Braking devices in mechanical engineering / M.P. Alexandrov. - M .: Mechanical Engineering, 1965. - S.591-592 [prototype].

Таблица 1Table 1 Термоэлектрические э.д.с. в парах трения "металл-металл" и "полупроводниковые соединения (ПС) - металл"Thermoelectric emf in friction pairs "metal-metal" and "semiconductor compounds (PS) - metal" МеталлыMetals Интервал температур, t, ºCTemperature Range, t, ºC Е, 10^-4 ВE, 10 ^-4 V первыйthe first второйsecond ОтFrom ДоBefore Ag⁺ Ag ⁺   00 200200 8,388.38 Cd^- Cd ^- 00 200200 1,661,66 Cu⁺ Cu ⁺ 00 100one hundred 3,373.37 Fe^- Fe ^- Pb⁺ Pb ⁺ -230-230 100one hundred 6,736.73 Pt⁺ Pt ⁺   00 100one hundred -3,1-3.1 Sb⁺ Sb ⁺ 00 100one hundred 42,8542.85 Zn^- Zn ^- 00 250250 8,298.29 ПСPS МеталлMetal Интервал температур, t, ºCTemperature Range, t, ºC Е, ВE, B Cr₂O₃ ^- Cr ₂ O ₃ ^-   950950 12851285 -0,212-0.212 CuO^- CuO ^- 170170 850850 -0,304-0.304 PbO^- PbO ^- Pb⁺ Pb ⁺ 250250 390390 -5,613-5.613 Si^- Si ^-   -200-200 360360 -0,302-0.302 Zn0^- Zn0 ^- 355355 I860I860 -0,813-0.813

Таблица 2table 2 Характеристики тепловых режимов барабанно-колодочных тормозовThermal characteristics of drum-drum brakes Режим торможенияBraking mode Тепловой режимThermal mode Условия возникновенияConditions of occurrence ЕдиничныйUnit $$\frac{Повышение}{Понижение}t,{}^{\circ }C$$

$$\frac{P\mathrm{about}\mathrm{at}swen\mathrm{and}e}{P\mathrm{about}n\mathrm{and}\mathrm{well}en\mathrm{and}e}t,{}^{\circ }C$$

I_Г>I_X;I _G > I _X ; I_X>I_Г;I _X > I _G ; УстановившейсяEstablished I_Г=I_X I _G = I _X Повторно-кратковременныйIntermittent $$\frac{Повышение}{Понижение}t,{}^{\circ }C$$

$$\frac{P\mathrm{about}\mathrm{at}swen\mathrm{and}e}{P\mathrm{about}n\mathrm{and}\mathrm{well}en\mathrm{and}e}t,{}^{\circ }C$$

I_Г>I_X;I _G > I _X ; Установившейся Established I_Г=I_X;I _G = I _X ; СтабилизационныйStabilization I_X≥I_Г I _X ≥I _G ДлительныйDurable $$\frac{Повышение}{Понижение}t,{}^{\circ }C$$

$$\frac{P\mathrm{about}\mathrm{at}swen\mathrm{and}e}{P\mathrm{about}n\mathrm{and}\mathrm{well}en\mathrm{and}e}t,{}^{\circ }C$$

I_Г>I_X;I _G > I _X ; Установившейся Established I_Г=I_X;I _G = I _X ; СтабилизационныйStabilization I_X≥I_Г I _X ≥I _G

Claims (2)

1. Устройство для определения теплового режима металлополимерных пар трения 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, и при этом рабочие поверхности обода и фрикционных накладок имеют приповерхностные слои, которые нагреваются единичными, циклическими или длительными торможениями за счет генерирования токов на поверхности пар трения, отличающееся тем, что в процессе торможения при термическом сопротивлении контакта металлополимерных пар трения возникают простые и полупроводниковые пленки, обладающие тепло- и электропроводниковыми свойствами и являющиеся множеством микротермобатарей, на спаях которых создается перепад температур с помощью теплопроводов с горячими и холодными поверхностями, в качестве которых выступают приповерхностные слои металлополимерных пар трения, а непосредственное прохождение через пленки основного количества теплоты и обеспечивает достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей.1. A device for determining the thermal regime of metal-polymer 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, and expansion devices with a drive are installed between the pads, and the working surfaces of the rim and friction linings have surface layers that are heated by single, cyclic or prolonged braking due to the generation of currents on surface of friction pairs, characterized in that during braking during the thermal resistance of the contact of metal-polymer friction pairs, simple and semiconductor films appear that have heat and electric conductive properties and are many microthermal batteries, on the junctions of which a temperature difference is created by means of heat conductors with hot and cold surfaces, which are near-surface layers of metal-polymer friction pairs, and direct passage through the films of the main amount of heat s and provides sufficient output power for the plurality mikrotermobatarey. 2. Способ определения теплового режима металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза при их нагружении в стендовых условиях, содержащего тормозной механизм с барабаном, с тормозными колодками, к основаниям которых прикреплены фрикционные накладки и при этом обод барабана и накладки 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", в каждом из которых заподлицо рабочей поверхности установлены термоэлектроды пластинчатых термопар и которые нагреваются единичными, циклическими или длительными торможениями за счет генерирования токов на поверхности пар трения в широком интервале температур для фрикционных материалов секторов накладок, отличающийся тем, что в качестве множества микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников, выступают пластинчатые термопары, вмонтированные в независимые пары трения, и по их термической электродвижущей силе и определяют тепловой режим трения тормоза. 2. A method for determining the thermal regime of metal-polymer friction pairs of a drum-shoe brake when they are loaded in bench conditions, containing a brake mechanism with a drum, with brake pads, friction pads attached to the bases of which and the drum rim and pads are separated by longitudinal grooves of different widths and therefore some of their edges are aligned in a vertical plane, thus forming independent friction pairs "metal disks - sectors of friction linings", in each of which flush working sheath surfaces are equipped with thermoelectrodes of plate thermocouples and which are heated by single, cyclic or prolonged braking due to the generation of currents on the surface of friction pairs in a wide temperature range for friction materials of the lining sectors, characterized in that they act as a set of microthermobatteries operating in microthermoelectric generators and microelectric coolers plate thermocouples mounted in independent friction pairs, and by their thermal electromotive force and redelyayut thermal friction brake mode.

Images