Час читання: ~7 хв

Фрикційні накладки зчеплення LuK: вимоги, технології Slim Disc і HPF

Автор матеріалу: Олег Тимошенко

Фрикційні накладки - серце зчеплення: від них залежать момент, який зчеплення передає, його ресурс, комфорт і стійкість до перегріву. За даними LuK, сучасні органічні накладки - це компроміс між суперечливими вимогами, тому компанія розвиває тканинні накладки з функціональним розподілом шарів, пресовані накладки зі сталевою пластиною, концепцію тонкого диска Slim Disc і високотемпературний матеріал HPF.

Розвиток накладок зчеплення

Потужніші двигуни, довші передаточні числа і вищі вимоги до ресурсу привели до складніших конструкцій зчеплення. Накладки разом з іншими ключовими компонентами - серце зчеплення. Проте, як зазначає LuK, технологія самих накладок тривалий час розвивалася значно повільніше, ніж конструкція зчеплення, і компанія почала розкривати цей потенціал.

Історія накладок почалася з перших автомобілів із сухим зчепленням: матеріалом тертя слугувала деревина бука і дуба. Винахід фенольної смоли на початку XX століття заклав основу сучасної технології. Смолу почали використовувати як зв'язувальне в гальмівних колодках і зчепленнях: уперше деталі будь-якої форми можна було виготовляти з матеріалу, який легко формується і після затвердіння лишається твердим навіть за сильного нагрівання.

Накладки в сучасному розумінні виробляють приблизно з 1930 року. Уже в 1930-х роках їх масштабно випробовували на інерційних стендах за температур понад 400 °C. Повністю синтетичні полімери з відмінними властивостями і досі є основою накладок. Коли традиційні технології досягають меж, потрібні нові підходи - нижче описано вимоги до накладок, межі сучасної техніки і перспективи.

Вимоги до накладок зчеплення

Термостійкість і експлуатаційна міцність

Сучасні зчеплення розраховані на весь строк служби автомобіля. Для цього накладка має витримувати всі ситуації з великими навантаженнями без помітного скорочення ресурсу, а також переживати випадкові екстремальні навантаження з мінімальним впливом на тертя, цілісність і ресурс. Що вища термостійкість, то вища експлуатаційна міцність. Водночас потужніші двигуни за майже незмінних габаритів збільшують питоме навантаження на накладку.

Ресурс

Знос накладки сильно залежить від температури, яка значно змінюється під час експлуатації, від потужності тертя і питомого тиску. Більшу частину пробігу накладка працює за температур близько або нижче 100 °C, тоді як пікові навантаження можуть перевищувати 400 °C, і тоді знос зростає експоненційно. Добра накладка має низький знос у широкому діапазоні температур.

Комфорт

Накладка має гасити коливання в силовому потоці завдяки тому, як її коефіцієнт тертя змінюється зі швидкістю ковзання, і так запобігати ривкам (дрижанню) під час рушання. Дрижання довго було однією з головних проблем зчеплення: воно відчувається як поздовжні коливання автомобіля. Навіть автомобілі з добрим демпфуванням трансмісії можуть бути чутливими до нього в окремих режимах.

Міцність на розрив

Накладки працюють під дією великих відцентрових сил і температур. Двигуни з високими обертами і трансмісії з великими передаточними числами висувають високі вимоги до частоти обертання, за якої накладка руйнується. Вона має значно перевищувати максимальні оберти двигуна, бо помилкове перемикання на нижчу передачу може розкрутити диск зчеплення до дуже високих обертів. Перегрів може назавжди знизити міцність, тому сучасна накладка має зберігати її навіть після досягнення термічної межі.

Коефіцієнт тертя

Коефіцієнт тертя і зусилля притискання визначають момент, який передає зчеплення. Що вищий коефіцієнт тертя, то менші зусилля потрібні в зчепленні і його приводі. Мета розробки - максимально високий коефіцієнт тертя за прийнятних інших властивостей. Теоретично можливий діапазон - від 0,1 (тертя ковзання) до 1,0 (шина), а з урахуванням усього температурного діапазону і всіх властивостей реальна нижня межа становить близько 0,2. Важливо, щоб коефіцієнт тертя був стабільним.

Габарити і маса

Загальний запас на знос накладки - лише кілька міліметрів, приблизно третина її товщини; решта потрібна для кріплення. Для чіткого перемикання передач диск зчеплення і накладки мають мати малий момент інерції, тому об'єм і питому масу накладок мінімізують.

Вартість

У великосерійному виробництві вартість накладок визначають витрати на матеріали та обробку. Крім того, на неї впливають витрати на проєктування зчеплення і гарантійне обслуговування, які залежать від властивостей накладки.

Суперечливі цілі розробки

Органічні фрикційні накладки - задовільний компроміс між потрібними властивостями. Але деякі трибологічні і конструктивні властивості протилежні одна одній, і всі вони взаємопов'язані: оптимізуючи одну, змінюєш інші. Властивості накладки визначає взаємодія її компонентів, а рецептура може містити до 25 різних видів сировини, тож розробка потребує великого обсягу випробувань і системної роботи.

Сучасні рішення LuK

Базова технологія - тканинні накладки

Для масових застосувань, де головне - виконати основні вимоги за прийнятної вартості, LuK виготовляє накладки з тканинного композиту, просоченого смолою. Мета - збалансований компроміс між усіма вимогами.

Тканинна накладка з функціональним розподілом

Щоб отримати більше свободи в розробці, накладку можна поділити на дві функціональні зони. Базовий шар відповідає за цілісність і міцність, а шар тертя оптимізують на ресурс і стабільний коефіцієнт тертя. Тонке поверхневе покриття дає високий початковий коефіцієнт тертя і усуває потребу в припрацюванні. Міцність і зносостійкість визначають насамперед типи волокон: шари відрізняються нитками і несучими структурами, а зв'язувальне і наповнювачі однакові, тож шари добре з'єднуються між собою. За даними LuK, багатошаровий матеріал C3002 зберігає високу міцність навіть після тривалого впливу високої температури і має дуже добрі трибологічні властивості.

Пресована накладка із сухої суміші з функціональним розподілом

Ідею функціональних зон уперше реалізували в накладці RCF-1 із сухої порошкової суміші. За даними LuK, компанія виробляє її багато років, і вона перевірена в мільйонах автомобілів. Хімічно вона подібна до тканинної, але має дві відмінності: армувальні волокна орієнтовані хаотично, а зв'язувальне з реактопласту і еластомеру вводиться як порошкова суміш, а не рідкий розчин. Структурну цілісність і міцність забезпечує сталева пластина в накладці.

Концепція Slim Disc

Висока питома потужність, особливо в автомобілях з поперечним розташуванням двигуна, вимагає компактних зчеплень з великою тепловою ємністю. Товщина натискного диска часто є компромісом між тепловою ємністю і доступним простором. Тонший диск зчеплення з тоншими накладками дає змогу зробити натискний диск товщим.

Конструкція Slim Disc від LuK поєднує технологію пресованих накладок на сталевій пластині з новим способом кріплення. Накладки зберігають паралельність у всьому діапазоні температур завдяки виступам між бічними утримувачами. За того самого запасу на знос це звільняє приблизно 2 мм простору, тож можна встановити товщі натискний диск і маховик і збільшити теплову ємність зчеплення.

Високотемпературна концепція Slim Disc HPF

З новою системою матеріалів HPF (High Performance Facing) на основі спеціального термостійкого реактопласту і конструкцією Slim Disc LuK створила зчеплення, яке надійно працює за високих температур і відповідає всім іншим вимогам. Через крихкість матеріалу і технологію виробництва накладки HPF роблять у вигляді пластин, які кріпляться радіально зсередини з виступами для стабільності розмірів. Разом із натискним диском більшої теплової ємності концепція HPF допускає значно вищі температури на поверхнях тертя, і матеріал накладки перестає бути обмежувальним чинником.

Інші фрикційні матеріали

Металокерамічні матеріали

Металокераміку застосовують у тракторах і важкій будівельній техніці, де потрібні виняткова термостійкість і високий коефіцієнт тертя. Її застосування обмежують гірша поведінка під час рушання і підвищений знос.

Вуглецеві композити

У вуглецевих композитів коефіцієнт тертя зростає з температурою, особливо вище 300 °C. Але висока вартість і знос порівняно зі звичайними матеріалами обмежують їх авіацією і автоспортом.

Керамічні матеріали

Кераміка на основі силікатів, карбідів або оксидів поки перебуває на етапі експериментів. Здебільшого її застосовують як заміну чавуну в контртілі, а фрикційний елемент лишається органічним. Неорганічні фрикційні елементи поки що мають надто великий абразивний знос.

Висновки і перспективи

За даними LuK, компанія пропонує широкий спектр технологій накладок - від масових базових до економічних нових і високотехнологічних рішень для найвимогливіших застосувань - і може підібрати технологію під конкретний автомобіль. Розробка зчеплень і накладок стала ще тісніше пов'язаною, а співпраця хіміків і інженерів-механіків дає нові рішення з потенціалом для масового виробництва.

Фрикційні накладки для переклепування дисків і комплекти зчеплення LuK можна підібрати в TESMA.

Переклепування ремонтопридатних дисків зчеплення і ремонт маховиків виконує спеціалізований сервіс TESMA remont-mahovikov.com.ua. Можливість відновлення конкретного диска визначають після дефектування основи, маточини, шліців і демпфера.

Що ще почитати на цю тему

Статті у Базі знань

Товарні групи TESMA