Фрикционные накладки сцепления LuK: требования, технологии Slim Disc и HPF

Автор материала: Олег Тимошенко

Фрикционные накладки - сердце сцепления: от них зависят момент, который сцепление передает, его ресурс, комфорт и стойкость к перегреву. По данным LuK, современные органические накладки - это компромисс между противоречивыми требованиями, поэтому компания развивает тканые накладки с функциональным разделением слоев, прессованные накладки со стальной пластиной, концепцию тонкого диска Slim Disc и высокотемпературный материал HPF.

Развитие накладок сцепления

Более мощные двигатели, более длинные передаточные числа и более высокие требования к ресурсу привели к более сложным конструкциям сцепления. Накладки вместе с другими ключевыми компонентами - сердце сцепления. Однако, как отмечает LuK, технология самих накладок долгое время развивалась значительно медленнее, чем конструкция сцепления, и компания начала раскрывать этот потенциал.

История накладок началась с первых автомобилей с сухим сцеплением: материалом трения служила древесина бука и дуба. Изобретение фенольной смолы в начале XX века заложило основу современной технологии. Смолу начали использовать как связующее в тормозных колодках и сцеплениях: впервые детали любой формы можно было изготавливать из легко формуемого материала, который после отверждения остается твердым даже при сильном нагреве.

Накладки в современном понимании производят примерно с 1930 года. Уже в 1930-х годах их масштабно испытывали на инерционных стендах при температурах более 400 °C. Полностью синтетические полимеры с отличными свойствами и сегодня являются основой накладок. Когда традиционные технологии достигают пределов, нужны новые подходы - ниже описаны требования к накладкам, пределы современной техники и перспективы.

Требования к накладкам сцепления

Термостойкость и эксплуатационная прочность

Современные сцепления рассчитаны на весь срок службы автомобиля. Для этого накладка должна выдерживать все ситуации с большими нагрузками без заметного сокращения ресурса, а также переживать случайные экстремальные нагрузки с минимальным влиянием на трение, целостность и ресурс. Чем выше термостойкость, тем выше эксплуатационная прочность. При этом более мощные двигатели при почти неизменных габаритах увеличивают удельную нагрузку на накладку.

Ресурс

Износ накладки сильно зависит от температуры, которая значительно меняется в эксплуатации, от мощности трения и удельного давления. Большую часть пробега накладка работает при температурах около или ниже 100 °C, тогда как пиковые нагрузки могут превышать 400 °C, и тогда износ растет экспоненциально. Хорошая накладка имеет низкий износ в широком диапазоне температур.

Комфорт

Накладка должна гасить колебания в силовом потоке за счет того, как ее коэффициент трения меняется со скоростью скольжения, и так предотвращать рывки (дрожание) при трогании. Дрожание долго было одной из главных проблем сцепления: оно ощущается как продольные колебания автомобиля. Даже автомобили с хорошим демпфированием трансмиссии могут быть чувствительны к нему в отдельных режимах.

Прочность на разрыв

Накладки работают под действием больших центробежных сил и температур. Двигатели с высокими оборотами и трансмиссии с большими передаточными числами предъявляют высокие требования к частоте вращения, при которой накладка разрушается. Она должна значительно превышать максимальные обороты двигателя, поскольку ошибочное переключение на пониженную передачу может раскрутить диск сцепления до очень высоких оборотов. Перегрев может навсегда снизить прочность, поэтому современная накладка должна сохранять ее даже после достижения термического предела.

Коэффициент трения

Коэффициент трения и усилие прижатия определяют момент, который передает сцепление. Чем выше коэффициент трения, тем меньшие усилия нужны в сцеплении и его приводе. Цель разработки - максимально высокий коэффициент трения при приемлемых остальных свойствах. Теоретически возможный диапазон - от 0,1 (трение скольжения) до 1,0 (шина), а с учетом всего температурного диапазона и всех свойств реальная нижняя граница составляет около 0,2. Важно, чтобы коэффициент трения был стабильным.

Габариты и масса

Общий запас на износ накладки - всего несколько миллиметров, примерно треть ее толщины; остальное нужно для крепления. Для четкого переключения передач диск сцепления и накладки должны иметь малый момент инерции, поэтому объем и удельную массу накладок минимизируют.

Стоимость

В крупносерийном производстве стоимость накладок определяют затраты на материалы и обработку. Кроме того, на нее влияют затраты на проектирование сцепления и гарантийное обслуживание, которые зависят от свойств накладки.

Противоречивые цели разработки

Органические фрикционные накладки - удовлетворительный компромисс между нужными свойствами. Но некоторые трибологические и конструктивные свойства противоположны друг другу, и все они взаимосвязаны: оптимизируя одно, меняешь другие. Свойства накладки определяет взаимодействие ее компонентов, а рецептура может содержать до 25 разных видов сырья, поэтому разработка требует большого объема испытаний и системной работы.

Современные решения LuK

Базовая технология - тканые накладки

Для массовых применений, где главное - выполнить основные требования при приемлемой стоимости, LuK изготавливает накладки из тканого композита, пропитанного смолой. Цель - сбалансированный компромисс между всеми требованиями.

Тканая накладка с функциональным разделением

Чтобы получить больше свободы в разработке, накладку можно разделить на две функциональные зоны. Базовый слой отвечает за целостность и прочность, а слой трения оптимизируют на ресурс и стабильный коэффициент трения. Тонкое поверхностное покрытие дает высокий начальный коэффициент трения и устраняет необходимость в приработке. Прочность и износостойкость определяют прежде всего типы волокон: слои отличаются нитями и несущими структурами, а связующее и наполнители одинаковы, поэтому слои хорошо соединяются между собой. По данным LuK, многослойный материал C3002 сохраняет высокую прочность даже после длительного воздействия высокой температуры и обладает очень хорошими трибологическими свойствами.

Прессованная накладка из сухой смеси с функциональным разделением

Идею функциональных зон впервые реализовали в накладке RCF-1 из сухой порошковой смеси. По данным LuK, компания производит ее много лет, и она проверена в миллионах автомобилей. Химически она подобна тканой, но имеет два отличия: армирующие волокна ориентированы хаотично, а связующее из реактопласта и эластомера вводится как порошковая смесь, а не жидкий раствор. Структурную целостность и прочность обеспечивает стальная пластина в накладке.

Концепция Slim Disc

Высокая удельная мощность, особенно в автомобилях с поперечным расположением двигателя, требует компактных сцеплений с большой тепловой емкостью. Толщина нажимного диска часто является компромиссом между тепловой емкостью и доступным пространством. Более тонкий диск сцепления с более тонкими накладками позволяет сделать нажимной диск толще.

Конструкция Slim Disc от LuK сочетает технологию прессованных накладок на стальной пластине с новым способом крепления. Накладки сохраняют параллельность во всем диапазоне температур благодаря выступам между боковыми держателями. При том же запасе на износ это освобождает примерно 2 мм пространства, поэтому можно установить более толстые нажимной диск и маховик и увеличить тепловую емкость сцепления.

Высокотемпературная концепция Slim Disc HPF

С новой системой материалов HPF (High Performance Facing) на основе специального термостойкого реактопласта и конструкцией Slim Disc LuK создала сцепление, которое надежно работает при высоких температурах и соответствует всем остальным требованиям. Из-за хрупкости материала и технологии производства накладки HPF делают в виде пластин, которые крепятся радиально изнутри с выступами для стабильности размеров. Вместе с нажимным диском большей тепловой емкости концепция HPF допускает значительно более высокие температуры на поверхностях трения, и материал накладки перестает быть ограничивающим фактором.

Другие фрикционные материалы

Металлокерамические материалы

Металлокерамику применяют в тракторах и тяжелой строительной технике, где нужны исключительная термостойкость и высокий коэффициент трения. Ее применение ограничивают худшее поведение при трогании и повышенный износ.

Углеродные композиты

У углеродных композитов коэффициент трения растет с температурой, особенно выше 300 °C. Но высокая стоимость и износ по сравнению с обычными материалами ограничивают их авиацией и автоспортом.

Керамические материалы

Керамика на основе силикатов, карбидов или оксидов пока находится на стадии экспериментов. В основном ее применяют как замену чугуна в контртеле, а фрикционный элемент остается органическим. Неорганические фрикционные элементы пока имеют слишком большой абразивный износ.

Переклепку ремонтопригодных дисков сцепления и ремонт маховиков выполняет специализированный сервис TESMA remont-mahovikov.com.ua. Возможность восстановления конкретного диска определяют после дефектовки основания, ступицы, шлицев и демпфера.

Выводы и перспективы

По данным LuK, компания предлагает широкий спектр технологий накладок - от массовых базовых до экономичных новых и высокотехнологичных решений для самых требовательных применений - и может подобрать технологию под конкретный автомобиль. Разработка сцеплений и накладок стала еще теснее связанной, а сотрудничество химиков и инженеров-механиков дает новые решения с потенциалом для массового производства.

Фрикционные накладки для переклепки дисков и комплекты сцепления LuK можно подобрать в TESMA.