. Uzura Sistemului De Frânare [304529]

NOȚIUNI DE TRIBOLOGIE ȘI FRÂNARE

Aspecte generale și terminologie

Noțiunea de tribologie a fost propusă de către savantul englez D. Tabor, [anonimizat] a [anonimizat] [37] [38] [39], [anonimizat], etc. [anonimizat] a frecării și uzării [36] [37] [38]. Uzarea reprezintă procesul fizic care are loc prin frecarea a [anonimizat]. [anonimizat]-[anonimizat], cu sau fără lubrifiant.

Funcția mecanismului de frânare a [anonimizat] a genera un cuplu de frânare cu rol de încetinire și oprire a vehiculului pe care acesta este montat. Principiul de lucru al unei frâne prin fricțiune este de a [anonimizat], [anonimizat]. Există două tipuri principale de mecanisme de frânare a [anonimizat]. În ambele cazuri energia cinetică a [anonimizat], și o parte esențială a [anonimizat] a [anonimizat] a evita problemele de supraîncălzire și uzura pronunțată a mecanismului de frânare. Pentru funcționarea corespunzătoare a frânelor și reducerea la minimum a uzurii, [anonimizat] 300˚C [ ]. Inițial s-[anonimizat] a crescut masa și viteza de deplasare a autovehi-culelor, [anonimizat] a [anonimizat] a coeficientului de frecare în exploatare. Utilizarea unor discuri sau tamburi de frânare cu o ventilare bună, a [anonimizat], a monitorizării electronice a frânelor, precum și a [anonimizat], a dus la niveluri ridicate de performanță a sistemului de frânare. În același timp se poate evidenția dependența care există între uzura sabotului sau a [anonimizat] a discului de frânare.

Curbele uzurii

În procesul de uzare apare modificarea nedorită a dimensiunilor, a calității suprafețelor, a po-[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], ca urmare a ecruisării, provocând o creștere treptată a [anonimizat]-rează uzura.

Pe suprafețele prelucrate mecanic rămân microneregularități, astfel că în cazul unei cuple de frecare, existând o forță de apăsare normală FN și o mișcare relativă cu viteza va, la începutul funcți-onării suprafața reală de contact (Ar = a1+a2+…+an) va fi foarte mică. În acest caz, presiunea va fi foarte mare, astfel:

(4.1)

În aceste condiții, în perioada inițială de funcționare, uzura pieselor aflate în contact va crește rapid, intensitatea uzării fiind foarte mare. După uzarea inițială, planurile de referință ale celor două suprafețe se apropie cu distanța d, prin distrugerea proeminențelor, deformarea lor sau întrepătrun-derea asperităților (fig. 4.1). Apropierea relativă va fi dată de raportul ε = d/Rmax, în care Rmax este înălțimea maximă a asperităților.

Fig. 4.1. Uzarea a două piese conjugate [ 43]

contactul inițial al suprafețelor noi; b) contactul după uzarea inițială

După această apropiere cu distanța d, cele două piese conjugate vor avea în contact suprafe-țele mai mari decât , , …, , presiunea specifică devenind mai mică:

(4.2)

Rezultă că viteza uzării devine mai mică și după o anumită perioadă de timp viteza uzării se va menține aproape constantă, ansamblul intrând într-un regim normal de funcționare. Curba uzurii poate fi reprezentată ca lege generală, fie ca modificare a jocului dintre piesele conjugate, fie ca va-riație a dimensiunii piesei (fig. 4.2) în funcție de timp [40] [41] [42].

Fig. 4.2. Curba uzurii medii a unei piese în funcție de timp [ 43]

În faza întâia, care este și perioada de rodaj, se netezesc intens microneregularitățile de pe su-prafețele de contact, rezultate de la prelucrările mecanice, frecarea și uzarea este mai intensă și mai pronunțată, în faza a doua, numită și perioadă de funcționare normală, uzura este aproximativ cons-tantă, crescând treptat, aproape proportional cu timpul de funcționare, iar în faza a treia, denumită și perioadă de uzură de avarie, este caracterizată de o creștere bruscă a jocurilor și o uzură accentuată, care dă o funcționare anormală a ansamblului conjugat.

Perioada de funcționare normală Pn, denumită durabilitatea ansamblului sau al piesei, va fi dat de expresia:

(4.3)

Pentru creșterea perioadei de funcționare, în exploatare trebuie aplicate măsuri de micșorare a intensității uzurii (tg α), iar la reparații, măsuri care să micșoreze jocul ajustajului până la jocul mi-nim admisibil funcțional. În cazul unor serii de reparații consecutive (fig. 4.3), se obține o durată to-tală de funcționare Tt:

(4.4)

Practica a arătat că T1 ˃ T2 T3. În vederea stabilirii durabilității unui ansamblu este necesar a se cunoaște intensitatea uzurii (tg α) și mărimile extreme ale jocului (rel. 4.3). Intensitatea uzurii se stabilește experimental, măsurând jocul jmin, după timpul de rodaj Tr, iar după un timp oarecare de funcționare Tf se măsoară jocul maxim la care s-a ajuns:

(4.5)

în care jocul jmin se determină experimental.

Fig. 4.3. Curba uzurii în cazul unor reparații consecutive [43]

Frecarea și formele ei

Frecarea este un proces complex de natură moleculară, mecanică și energetică, care apare în-tre suprafețele corpurilor în mișcare relativă sau cu tendință de mișcare relativă, sub acțiunea unei forțe normale de apăsare, și poate fi uscată, limită, fluidă sau mixtă. Forța de frecare apare ca o forță tangențială la nivelul suprafeței de contact dintre două corpuri în mișcare reciprocă, acționează întotdeauna în sens opus mișcării și este concretizată prin lucrul mecanic consumat pentru învinge-rea rezistenței la mișcarea relativă, care generează încălzirea și uzarea suprafețelor. În funcție de starea de mișcare a pieselor dintr-un angrenaj, frecarea poate fi de repaus (statică) sau de mișcare. Frecarea de mișcare poate fi de alunecare, de rostogolire, de pivotare și complexă.

Frecarea uscată există atunci când elementele cuplei cinematice sunt în contact direct. Se poate vorbi de un regim de frecare riguros uscată numai în condiții de laborator atunci când între cele două suprafețe se poate asigura absența totală a oricărui mediu fluid sau solid. În aplicațiile practice, între cele două suprafețe ale elementelor cuplei cinematice se găsesc întotdeauna aer sau straturi de oxizi, motiv pentru care se poate vorbi de un regim de frecare tehnic uscată.

Frecarea limită poate apărea atunci când la suprafețele celor două elemente ale cuplei cine-matice există straturi continui absorbite (determinate de acțiunea câmpurilor de forțe intermolecu-lare) de lubrifiant, prin intermediul cărora se realizează contactul. Practic acest regim de frecare este greu de reprodus.

Frecarea fluidă are loc când între suprafețele în mișcare relativă există o peliculă (strat, film) continuă de lubrifiant, contactul direct, fie chiar local, fiind cu totul exclus (se impune deci ca grosi-mea stratului de fluid să fie mai mare decât înălțimea rugozităților suprafețelor celor două elemente ale cuplei).

Frecarea mixtă apare atunci când la contactul dintre cele două suprafețe există zone cu regi-muri de frecare diferită, din cele anterior menționate (parțial fluidă plus parțial la limită sau parțial uscată plus parțial la limită).

Regimurile de frecare fluidă și frecare mixtă constituie stadiile de frecare cel mai frecvent în-tâlnite la cuplele de frecare la care fenomenul de frecare este nedorit. În cele ce urmează se va trata, în mod special frecarea uscată, limită și mixtă, deoarece aceste tipuri de frecări apar în momentul în care mecanismul de frânare a roții intră în acțiune.

Frecarea uscată

Frecarea uscată se caracterizează prin contactul direct, nemijlocit al suprafețelor pieselor în mișcare relativă, iar datorită acestui fapt coeficientul de frecare are valori ridicate. Frecarea uscată se mai numește și frecare Coulombiană și din punct de vedere funcțional are două efecte contradic-torii importante, este dorită sau nedorită. Frecarea este utilă (dorită) în cazul frânelor, cuplajelor, transmisiilor prin fricțiune, asamblărilor prin forță, deplasării vehiculelor, și este dăunătoare (ne-dorită) în cazul lagărelor, angrenajelor, transmisiilor cu came, etc. Au fost formulate o serie de legi ale frecării uscate, bazate pe o serie de cercetări experimentale din care se amintesc legea frecării uscate Amontons-Coulomb și legea Bowden-Tabor. Legea frecării uscate de alunecare se exprimă prin relația Amontons – Coulomb:

Ff = μ Fn (4.6)

Mărimea coeficientului de frecare este dependentă de materialele din care sunt confecționate cele două elemente ale cuplei cinematice și de gradul de prelucrare a celor două suprafețe în contact (rugozitatea suprafețelor) și considerate independente de mărimea suprafeței de frecare, deci de pre-siunea de contact, precum și de mărimea vitezei relative a celor două elemente ale cuplei cinemati-ce.

Fig. 4.4. Cuplă cinematică cu contact de suprafață (inferioară) [43]

Ținând seama de faptul că suprafețele reale nu sunt perfect netede, ele prezentând ondulații și rugozități, este necesară introducerea următoarelor precizări referitor la suprafața de contact a celor două elemente ale cuplei:

aria nominală de contact An = b x l;

aria aparentă de contact Aa = ƩAai, respectiv suma zonelor de contact dintre cele două suprafețe;

aria reală de contact Ar = ƩAri, respectiv suma ariilor efective de contact, determinate de contac-tul dintre rugozități.

Adică suprafața de contact nominală sau geometrică poate conține ondulații (fig. 4.4) care for-mează amprente de contact și deci o suprafață aparentă de contact, care la rândul ei având rugozi-tăți, formează microzone de contact sau o suprafață reală de contact (Ar < Aa < An).

Raporturile acestor arii de contact conduc la mărimile relative (adimensionale):

(4.7)

Rezultă că:

ɳ3 = ɳ1. ɳ2 (4.8)

Frecarea uscată, privită în mod riguros, presupune absența oricărui fel de lubrifiant între su-prafețele în mișcare relativă și implicit, posibilitatea contactului direct între neregularitățile suprafe-țelor. Acest fapt conduce la valorile cele mai mari ale coeficientului de frecare de alunecare. În rea-litate nu se poate vorbi de o frecare uscată ,,ideală”. Totdeauna, prin manipulare sau în condiții de exploatare, pe suprafețele pieselor se depun straturi moleculare de lubrifiant din mediul ambiant. În aceste condiții se acceptă denumirea de frecare uscată tehnică. Un astfel de regim este de dorit în unele situații funcționale ale organelor de mașini: pene, frâne, cuplaje, transmisii prin fricțiune/ cu-rele, roți cu fricțiune, etc.

Legile frecării uscate

Au fost formulate o serie de legi ale frecării uscate, bazate pe o serie de cercetări experimen-tale dintre care se amintesc cele de mai jos:

Legea frecării uscate Amontons-Coulomb. Guilloume Amontos (1663-1705) a elaborat în 1699 „Legea frecării” care este valabilă și astăzi, iar Charles Augustin Coulomb (1736-1806), în 1785 în lucrarea „Theorie des machines simples en ayant egard au frottement de leus parties et a la roideur des cordages”, în urma unor experiențe a arătat că frecarea uscată este influen-țată de o serie de parametri ca natura materialului, starea suprafețelor în contact, sarcina apli-cată, efectul lubrifiantului, perioada de timp de când se aplică sarcina tangențială la suprafața de contact până la apariția alunecării, etc. Forța de frecare de alunecare Ffa este funcție de forța normală FN și este independentă de suprafața de contact și de viteza de alunecare.

(4.9)

Legea Bowden-Tabor. În cazul pieselor în frecare cu suprafețe rugoase, confecționate din aliaje elastoplastice, în urma apăsării cu sarcina FN, la trecerea din regim elastic în cel plastic, aria re-ală Ar depinde de raportul FN/pc, unde pc este presiunea de curgere a materialului mai moale, deci se poate scrie:

FN = Arpc (4.10)

În cazul formării microjoncțiunilor, la care, prin alunecare, se produce forfecarea materialului mai moale se poate scrie relația:

Ffa = Arτr (4.11)

unde τr este rezistența la forfecare a materialului mai moale.

Dacă se face raportul dintre relațiile (4.11) și (4.10) se obține:

(4.12)

Din relația (4.12) se vede că µ este funcție de material, pentru că τr pc. Din teoria plasticității rezultă:

(4.13)

Din relația (4.13) se vede că µ este o constantă fizică a materialului. Relația (4.12) a fost con-firmată de practică, la frecarea a două piese, una din oțel și alta din compoziție moale. Valorile ex-perimentale ale lui µ mai mari ca 0,6 se explică prin faptul că aria reală de contact Ar, respectiv forța de frecare Ffa crește datorită eforturilor unitare tangențiale produse de forța de frecare.

Valorile experimentale ale lui µ mai mici de 0,6 se explică prin aceea că aderența dintre diferite materiale poate fi mică sau chiar nulă, fapt care arată, fie absența microjoncțiunilor, fie existența lor pe o mică parte a suprafeței și deci relația lui µ se poate scrie:

(4.14)

unde: 0

Cercetările ulterioare au dovedit că, de fapt, legile respective constituie aproximații și că, în realitate, coeficientul de frecare variază cu presiunea și viteza de alunecare. Se constată că valoarea coeficientului de frecare se diferențiază cu natura și starea suprafețelor, distingându-se două feluri de coeficienți de frecare, static și cinematici (μas, μac) [37] [38].

Frecarea limită și mixtă

Frecarea limită, mixtă și regimul elastohidrodinamic constituie regimuri de frecare la care apare uzura, iar frecarea fluidă, corespunzătoare unei ungeri hidrodinamice sau hidrostatice nu ge-nerează uzură decât accidental.

Frecarea limită sau onctuoasă, este caracterizată prin interpunerea unuia sau mai multor stra-turi subțiri, moleculare de lubrifiant, care, de regulă, împiedică contactul direct (fig. 4.5). Față de frecarea uscată, frecarea limită reduce uzura suprafețelor, reprezentând un fel de barieră împotriva uzurii, care permite micșorarea uzurii suprafețelor de mii de ori, deși poate micșora coeficientul de frecare numai de câteva ori.

Fig. 4.5. Regimul de frecare limită [43]

A – detaliu privind straturile moleculare absorbite

Frecarea semifluidă sau mixtă include un fenomen complex și apare la limita frecării fluide în cazul existenței unor suprafețe cu un anumit grad de rugozitate, atunci când, deși filmul de lubri-fiant are o grosime corespunzătoare curgerii fluide, se rupe și se reface astfel încât concomitent cu sustentația hidrodinamică apare și contactul între suprafețe (fig. 4.6, a). Regimul de ungere și de fre-care mixtă nu se poate evita în regimurile tranzitorii ale mașinilor (pornire – oprire), când pelicula de ulei nu s-a format sau când viteza scade cu mult, schimbând eventual sensul mișcării (de exem-plu, piston – cilindru).

Frecarea fluidă asigură, prin prezența lubrifiantului, o separare perfectă a suprafețelor solide respective, printr-o peliculă neîntreruptă de lubrifiant (fig. 4.6, b).

Frecarea în regim elastohidrodinamic apare în condiții mai grele de încărcare a unor îmbi-nări cu contacte punctiforme sau liniare, prin deformarea zonelor netede de contact, menținând un film continuu și subțire de lubrifiant, cu grosime mai mică de 1μm, realizându-se astfel regimul de-numit mai sus (EHD). În fig. 4.7 se prezintă dependența grosimii peliculei de lubrifiant și regimul de ungere în funcție de presiunea de contact [37].

Fig. 4.7. Dependența grosimii peliculei de lubrifiant și

regimul de ungere în funcție de presiunea de contact [43]

Formele de apariție a uzurilor

În general, sunt acceptate cinci tipuri fundamentale de uzură, care pot apare atât la frecarea uscată, cât și în prezența lubrifiantului, acestea fiind uzura de aderență, de abraziune, de oboseală superficială, de coroziune și de impact [37] [38] [41]. În practică, aceste tipuri de uzură sunt întâlni-te separat numai în cazuri speciale, toate procesele de uzare depend și se pot clasifica în funcție de fenomenele predominante, care pot fi termofizice, mecanice și chimice, fenomenele mecanice con-tribuie în cea mai mare măsură la uzarea rapidă a suprafețelor, iar tipul caracteristic acestei clase de fenomene este uzura abrazivă.

Uzura de aderență

Uzura de aderență este provocată de sudarea și de ruperea punților de sudură între microzone-le de contact și se caracterizează printr-un coeficient de frecare ridicat și o valoare mare a intensită-ții uzării. Acest tip de uzură apare în cazul frecării de alunecare sau de rostogolire și se manifestă sub formă de adeziuni moleculare sau interacțiuni atomice, datorită formării și ruperii microsuduri-lor. Uzura suprafețelor prin aderență este moderată, când se produc forfecări fără smulgeri și este severă, atunci când punțile de sudură nu se pot forfeca, având drept urmare gripajul total. Apariția gripajului, ca forma cea mai severă a uzurii de aderență, este consecința suprasarcinilor și apariția unor temperaturi locale ridicate. Aderențele microscopice locale nu mai pot fi forfecate, astfel cupla de frecare rămâne blocată (fig. 4.8) [51].

Fig. 4.8. Uzura prin aderență [43]

a – microjoncțiuni; b – microadeziuni; c – forfecare.

Microjoncțiunile care se prind de suprafața unei piese (fig. 4.8, b) pot provoca rizuri pe su-prafața celeilalte piese și se pot rupe, provocând particule de uzură. Uzura de aderență este condi-ționată de interacțiunea atomică a materialelor celor două suprafețe, intensitatea uzării stratului superficial pe unitate de lungime de alunecare depinzând de numărul întâlnirilor interatomice, și poate fi exprimată cu relația:

(4.15)

Legea de bază a uzurii de aderență este dată de expresia volumului de material, vu desprins prin uzare, în funcție de lungimea frecării, lf, de forța normală, FN și de presiunea de curgere, pc, a materialului mai moale:

(4.16)

unde:

(4.17)

Deci, se poate scrie:

(4.18)

După înlocuiri rezultă:

(4.19)

Împărțind ambii membri cu aria nominală de contact, An, se obține [38]:

(4.20)

Coeficientul de uzură adezivă pentru un material dat, rezultat din relația (4.20) este:

(4.21)

Coeficientul de uzură de aderență, kc, are valori care sunt practic constante numai până la pre-siuni medii, de până la 1/3 HB, după care urmează o creștere rapidă, terminată cu suduri sau gripaj. În fig. 4.9 este prezentată grafic evoluția coeficientului de uzură de adeziune până la o anumită pre-siune, după care creșterea este bruscă.

Fig. 4.9. Schema apariției gripajului [43]

Dp – deformații plastice mari (zona a – b); Ɵ – temperaturi ridicate (zona b – c)

Gripajul este o consecință a uzării de aderență și apare la sarcini mari, în lipsa lubrifiantului sau la străpungerea peliculei, în urma unor temperaturi locale ridicate. Gripajul este, deasemenea consecința rodajului necorespunzător, a jocului prea mic între suprafețele superfinisate, calitatea ne-corespunzătoare a lubrifiantului, depășirea unor parametrii funcționali, etc [52].

Dată fiind gravitatea accidentelor și costului reparațiilor, în urma gripajului, combaterea apari-ției acestui tip de uzură constituie o preocupare deosebită.

Uzura de abraziune

Uzura de abraziune, provocată de prezența particulelor dure între suprafețele de contact, sau asperitățile mai dure ale uneia din suprafețele de contact, este ușor de recunoscut după urmele orien-tate pe direcția de mișcare. Acest tip de uzură se manifestă atât sub formă de deformări plastice și detașări de microparticule metalice (fig. 4.10, a), cât și sub formă de microașchieri (fig. 4.10, b).

Legea uzurii de abraziune se poate deduce plecând de la ipoteza că o particulă abrazivă de formă conică sub acțiunea unei sarcini elementare dFN, pătrunde la o adâncime x într-un material de

duritate HB și care detașează un volum elementar de material ΔV prin deplasare relativă cu o lun-gime elementară Δl (fig. 4.11).

În acest caz:

(4.22)

Fig. 4.10. Uzura de abraziune [43]

a – deformare plastică; b – microașchiere.

astfel că:

(4.23)

sau:

(4.24)

Forța normală de penetrare a granulei abrazive este direct proporțională cu secțiunea maximă a jumătății conului:

(4.25)

și duritatea materialului HB. Astfel, se deduce:

(4.26)

sau:

(4.27)

În baza acestor relații se poate scrie:

(4.28)

Împărțind ambii membri cu aria aparentă de contact Aa, rezultă uzura liniară u:

(4.29)

unde: pm este presiunea medie de contact. Dacă se consideră presiunea de curgere a materialu-lui:

(4.30)

se obține:

(4.31)

Coeficientul k are următoarele valori: k = (2,8 – 4)10-2 pentru metale, k = 0,01 pentru particu-lele abrazive rotunjite și k = (0,01 – 0,1) pentru hârtia abrazivă. În funcție de particularitățile geo-metrice ale diferitelor cuple de frecare (angrenaje, rulmenți, lagăre cu alunecare, variatoare cu fricți-une, lanțuri, piston-cilindru etc.) se pot deduce expresiile factorului cinematic k și indicarea cazului cel mai defavorabil.

Fig. 4.11. Legea uzurii de abraziune [53]

Experimental au fost stabilite relații pentru rezistența la uzură, Ru:

(4.32)

Pentru metale tehnic pure și oțeluri recoapte [37]:

(4.33)

în care C este același coefficient pentru metale cu rețea cristalină, cubică sau hexagonală. Pen-tru oțelurile călite în ulei sau aer și revenite la diferite temperaturi:

(4.34)

în care Ru0 și HB0 este rezistența relative la uzură și respective duritatea oțelului recopt. C1 este coeficientul oțelului încercat.

Uzura prin oboseală superficială

Uzura prin oboseală, observată pe anumite suprafețe de frecare, se produce în urma unor soli-citări ciclice ale suprafețelor în contact, urmate de deformații plastice în rețeaua atomică a stratului superficial, de fisuri, ciupituri sau exfolieri [17]. Uzura prin oboseală este influențată de o serie de factori, printer care structura materialelor cuplei de frecare, temperature tipul solicitării, concentra-rea eforturilor, frecvența solicitărilor variabile, dimensiunile pieselor, etc.

Pittingul sau ciupiturile sunt o formă a uzurii de oboseală a suprafețelor aflate în mișcare de rostogolire, alunecare sau asociate și cu contacte punctiforme sau liniare, îndeosebi în cazul unor durități HB ≤ 350, după cel puțin 104 cicluri. Numărul de cicluri după care apare pittingul este dat de relația:

(4.35)

Pittingul este caracteristic flancurilor dinților, rulmenților și fusurilor crucilor cardanice, etc.

Spallingul sau exfolierea se manifestă prin desprinderea de pe suprafețele de frecare a unor particule sub formă de solzi, ca rezultat al oboselii substratului suprafeței de contact. Uzarea prin exfoliere este tipică suprafețelor de lucru a camelor arborelui de distribuție a motorului sau camele axului cu camă de frânare a mecanismului de frânare cu tambur și saboți interiori.

Uzura de coroziune

Uzarea prin coroziune constă în deteriorarea suprafeței de frecare prin pierderea de material, ca urmare a acțiunii simultane sau succesive a agenților chimici agresivi și a solicitărilor mecanice. Astfel uzarea prin coroziune se produce atât în perioada de repaus (coroziune chimică), cât și în timpul funcționării (coroziune mecanochimică).

Astfel, procesul uzării chimice se desfășoară în două faze:

formarea produșilor de reacție pe cale chimică și mecanochimică;

îndepărtarea acestor produși de pe suprafața de frecare pe cale tribomecanică.

Procesul de frecare accelerează efectele coroziunii chimice în diferite moduri (fig. 4.12), prin modificări în starea suprafeței, degajări de energie termică, acumulări de potențial electrostatic, fi-surarea stratului superficial, etc. Prezența particulelor abrazive și efectele lor conduc la accelerarea coroziunii chimice. S-a constatat că vitezele reacțiilor chimice de formare și rupere a stratului de protecție sunt cu un ordin de mărime mai mare în prezența mișcării de alunecare sau rostogolire, de-cât în absența ei.

Coroziunea chimică poate evolua sub două forme [43]:

coroziunea chimică propriu-zisă, în situațiile în care agentul coroziv poate fi gazos sau lichid, oxidarea putând să apară în aer, la temperatură normală;

coroziunea electrochimică, care presupune existent unor perechi de metale anumite și închiderea circuitului prin electrolit. Coroziunea electrochimică depinde de conductivitatea electrică a me-diului.

Ruginirea este o formă a coroziunii electrochimice a fierului și se datorează acțiunii combi-nate a oxigenului și apei, procesul de ruginire având o evoluție liniară.

Fig. 4.13. Conținutul produselor de uzare prin oxidare [54]

În domeniul obișnuit de funcționare al cuplelor de frecare cu regim uscat sau limită prezintă interes uzarea prin oxidare, în special, a oțelurilor. Cercetările lui dovedesc că pe suprafața de freca-re a oțelurilor se formează oxizi de Fe2O3 – α care protejeează suprafața de deteriorare (fig. 4.13). Din fig. 4.13 se observă că produsele de uzură (Fe2O3, FeO sau Fe) ale unui oțel moale în contact cu un oțel dur pe bază de crom variază în funcție de presiunea de contact.

Coroziunea mecanochimică (tribochimică) se referă la modificările suferite de o suprafață în frecare, în timpul funcționării. După natura solicitărilor mecanice pot fi acceptate următoarele sub-clase:

coroziunea de tensionare, datorită solicitărilor mecanostatice, distrugându-se stratul protector, totodată producându-se o intensificare a efectului coroziv;

coroziunea de oboseală, datorită solicitărilor periodice. Fenomenul de oboseală propriu-zis este activat de prezența unui anumit mediu ambiant.

Coroziunea de fretare apare atunci când suprafețele de fretare sunt supuse simultan atât acțiu-nii sarcinii normale, cât și a unor oscilații de mică amplitudine, fiind rezultatul unui proces mecanic.

Oxidarea suprafeței de fretare precede uzarea de abraziune, care distruge pelicula de oxid, ast-fel că procesul continuă, iar un proces chimic, simultan cu unul mecanic, prezintă pierderea de masă prin uzura de fretare sub forma [37]:

(4.36)

Coroziunea de fretare nu poate fi îndepărtată prin utilizarea vreunui lubrifiant, ea fiind obser-vată și la metale nobile sau inoxidabile. Totuși utilizarea unor lubrifianți adecvați poate reduce efectele uzurii de fretare.

Uzura de impact

Uzura de impact apare atunci când împreună cu alunecarea sau rostogolirea are loc și un im-pact compus. Acest tip de uzare apare pe flancurile roților dințate, pe suprafețele de lucru ale came-lor, etc.

Uzarea de impact poate fi clasificată în două categorii:

uzarea prin percuție;

uzarea prin eroziune.

În urma procesului de impact se modifică structura stratului superficial, se formează micro-cratere și microfisuri, au loc desprinderi de material, etc. Intensitatea uzării depinde de mărirea im-pulsului și de natura materialelor în contact. Viteza de uzare se calculează cu relația:

(4.37)

Pentru material tratate termic, relația (4.37) devine:

(4.38)

Alte forme de uzură

Imprimarea sferică (Brinelarea) este specifică lagărelor cu bile supuse unor sarcini mari, con-centrate, acțiunea de deformare a căilor de rulare producându-se în perioadele de repaus.

Uzura de cavitație este o formă de uzură superficială, prin oboseală, fiind caracterizată prin ciupituri și eroziuni care pot pătrunde în adâncimea materialului, la viteze mari și în prezența unui mediu lichid.

Zgârierea este o formă de uzură de abraziune mai intensă, care în cele din urmă poate duce la griparea cuplei de frecare.

Eroziunea este o formă a uzurii abrasive și apare în zona de acțiune a unui jet de fluid conți-nând particule abrazive.

Uzura datorită eroziunii electrice apare la suprafețele între care sunt descărcări electrice.

Factorii determinanți în schimbarea stării tehnice a mecanismului de frânare a roții în cursul exploatării

Uzura, grosimea minimă și temperatura

Uzura este un fenomen obișnuit ce ia naștere în timpul frânării. Din punct de vedere al mări-mii și vitezei de uzură au fost făcute mari progrese în trecut în domeniul materialelor folosite și este de așteptat ca în viitor acest proces să continue. Cu toate acestea, producătorii nu au reușit să dezvolte o frână accesibilă ca preț care să se bazeze pe principiul frecării, să îndeplinească toate caracteristicile necesare unei bune frânări și care să nu fie supusă uzurii. În primul rând trebuie avute în vedere diferențele de uzură dintre materialele feroase ale discurilor și materialelor de fricțiune ale plăcuțelor, deoarece se întâlnește adesea tendința de a transfera uzura asupra plăcuțelor de frână. Aceasta se întâmplă deoarece compoziția aliajului discului rămâne relativ constantă (diferențele de compoziție sunt mult mai mici în comparație cu scara imensă a plăcuțelor). În com-parație cu acesta, aliajul materialului de fricțiune al plăcuțelor diferă mult de la producător la produ-cător și de la model la model din cauza eforturilor de a atinge parametri ceruți. Din punct de vedere tehnologic este mult mai simplu să se atingă parametri ceruți prin modificarea compoziției materia-lului plăcuțelor decât să se intervină în compoziția aliajului discurilor. Din punct de vedere al interacțiunii, se întâlnesc materiale de fricțiune care sunt deosebit de rezistente și durabile, dar cauzează uzuri majore ale discului de frânare și invers. Puși în fața acestor două posibilități, produ-cătorii auto preferă drumul laborios al modificării materialului de fricțiune al plăcuțelor și comandă producătorilor acestor materiale să coreleze materialul cu tipul concret de vehicul. În practică acest lucru se traduce prin faptul că durabilitatea plăcuțelor este la jumătate din cea a discului [ ], [ ].

Fonta cenușie turnată este caracterizată prin proprietăți tribologice favorabile și preț scăzut, în comparație cu alte materiale și este utilizată pe scară largă la fabricarea discurilor sau a tamburilor de frânare. Pentru plăcuțele de frânare, în prezent se utilizează materiale de fricțiune organice, fără azbest, cu fibre de diferite tipuri, cum ar fi sticlă, aramide, fibre și materiale metalice, etc. Rezis-tența mecanică a materialelor de fricțiune depinde în principal de tipurile de componente structurale și de lianții utilizați. Rezistența termică este determinată de caracteristicile componentelor organice, fiind primele componente care suferă o degradare sub impactul temperaturilor ridicate. Un material organic, tipic pentru frecare constă din peste douăzeci de componente [ ]. O trăsătură caracterisitică a acestor materiale este conductivitatea termică scăzută, ceea ce duce la un transfer scăzut de căldu-ră către celelalte componente ale mecanismului de frânare.

Consecințele uzurii discurilor și plăcuțelor

Este important de înțeles că există un raport direct între cele două tipuri de uzură (disc/plăcu-ță), de aceea schimbarea discurilor de frână este tot atât de importantă ca și schimbarea plăcuțelor de frânare. Pentru buna funcționare a discului este deosebit de importantă valoarea grosimii mini-me. Această valoare este stabilită de către producător din mai multe motive, iar importanța ei este demonstrată și de faptul că este menționată pe marginea exterioară a discului.

Importanța respectării stricte a schimbării discurilor erodate sau care se apropie de grosimea minimă este următoarea:

din punct de vedere al temperaturii micșorarea grosimii are ca efect mărirea temperaturii tuturor componentelor mecanismului de frânare și uzura lor prematură;

din punct de vedere geometric se poate desprinde plăcuța din etrier și poate cădea, frâna deve-nind nefuncțională;

din punct de vedere mecanic discurile de frână ventilate pot fi distruse în urma presiunii.

Comparând durabilitatea a două perechi noi identice de plăcuțe de frână utilizate cu un disc uzat la grosimea minimă admisă și apoi cu un disc nou, se poate constata că durabilitatea plăcuțelor puse pe discul uzat este cu până la 45% mai scăzută decât în cazul utilizării lor cu un disc nou [ ],

[ ]. O caracteristică naturală a materialelor feroase, și deci și a discurilor de frână, este modificarea formei la schimbarea temperaturii. Practic, acest lucru înseamnă că dacă se încălzește un disc de frână, acesta se deformează. Deformarea discului are ca efect uzura neuniformă, vibrații, etc.

Scăderea capacității de frânare

Scăderea coeficientului de frecare la temperaturi ridicate, numit fading [ ], [ ], este tipică pentru orice material de fricțiune. Înseamnă că, odată cu creșterea temperaturii în discul de frână și în plăcuțe, scade coeficientul de frecare și eficiența frânelor. La un coeficient mai mic de frecare se obține același efect de frânare numai dacă se exercită o presiune mai mare asupra mecanismului de frânare, adică dacă se apasă mai puternic pedala de frână. Cu acest fenomen ne întâlnim mai des la coborâri lungi și tărăgănate, când se frânează ușor, permanent și temperatura plăcuțelor și a discului crește. Autovehiculul se poate găsi în situația în care nu va mai putea opri pentru că frânele au ce-dat.

Pierderea totală a capacității de frânare

Odată cu fading-ul apare un alt fenomen denumit vapour-lock [ ], [ ], fenomen care duce la pierderea totală a capacității de frânare. Cea mai sensibilă componentă a sistemului de frânare la temperaturi înalte și la orice modificare a caracteristicilor  și compoziției este lichidul de frână. Li-chidul de frână servește la transferul presiunii de la pompa de frânare către cilindrii de frână ai fie-cărei roți. Reprezintă sângele sistemului de frânare și, la fel ca lichidul ce ne curge prin vene, este indispensabil pentru întregul sistem. Dacă sub influența solicitărilor termice ridicate, temperatura lui depășește punctul de fierbere, în lichid încep să se producă bule de vapori. Acest fenomen este denumit vapour-lock [ ]. Dacă se apasă pedala de frână se produce o comprimare a bulelor de aer (gazul, spre deosebire de lichid, este comprimabil) și asupra plăcuțelor nu este transmisă nici o presiune. Frâna este complet scoasă din uz. Lichidul de frână folosit în majoritatea cazurilor are la bază glicol. Acest compus are proprietăți higroscopice. Aceasta înseamnă că absoarbe ușor apa din aer. Prezența apei scade temperatura punctului de fierbere a lichidului de frână și crește pericolul apariției vapour-lock-ului [ ], existând și posibilitatea ca aceasta să înghețe în lichidul de frână. Va-loarea punctului de fierbere uscat (lichid nou) se deosebește la fiecare tip de lichid de frână și se încadrea-ză între 240-260˚C. Punctul real umed de fierbere (lichidul de frână absoarbe în mod natural apa) ar trebui să fie la 150-160˚C. Deoarece pătrunderea apei în lichidul de frână nu ține de distanța parcur-să ci numai de timp, se recomandă schimbarea lichidului de frână la fiecare doi ani.

Zgomotele din timpul frânării autovehiculelor

Datorită producătorilor auto în ceea ce privește calitatea, zgomotele din timpul frânării sunt acceptate din ce în ce mai puțin. În momentul frânării, apar întotdeauna vibrații datorită fricțiunii uscate, care sunt descrise printr-o varietate largă de termeni, în funcție de frecvența lor. În intervalul de joasă frecvență, acestea sunt denumite frecare sau trepidație, pe când în intervalele de medie și înaltă frecvență sunt denumite scârțâit [ ] sau perie de sârmă. Pentru a contracara acest fenomen, pro-ducătorii de plăcuțe de frână, au efectuat timp de mulți ani cercetări de bază intensive. Prin urmare, comportamentul intrinsec la vibrație al acestora și proprietățile de absorbție a zgomotului sunt tes-tate temeinic la elaborarea noilor materiale pentru plăcuțe de frână. Pe baza rezultatelor obținute, comportamentul la zgomot al noilor vehicule și componentele acestora sunt analizate pe bancuri speciale de testare a zgomotelor, în unele cazuri având prototipul complet al componentelor axei și a frânelor. Pe parcursul acestei etape de dezvoltare, pot fi încă făcute modificări asupra frânei roților și conturului plăcuțelor. Într-un moment ulterior, asupra vehiculelor sunt efectuate teste orientate spre practică, în timpul cărora sunt determinate intensitatea și frecvența zgomotelor. Testarea include atât rulajul de anduranță, cât și evaluarea realizată pe parcursul unor teste variate efectuate în circuite stradale și teste de trepidație la viteze mari. În acest context, este deosebit de importantă determinarea componentelor care vibrează și la ce frecvență, pentru a putea adopta măsuri orientate către absorbția zgomotelor. În acest moment, ajustările fine pot fi realizate prin ușoare modificări asupra conturului, cum ar fi prin șanțuri și/sau teșituri. De asemenea, poate fi mo-dificată și compresibilitatea plăcuțelor de frână, în cadrul marjelor de toleranță.

În consecință, în cazul plăcuțelor de frână trebuie găsit întotdeauna un compromis între sigu-ranță, confort și eficiență economică. În acest context, alocarea corectă a diverselor materiale ale plăcuțelor de frână este la fel de importantă ca și evaluarea condițiilor generale a întregului set de frânare a roților și a celorlalte componente ale axei și suspensiei roților. De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că fiecare modificare asupra vehiculului, cum ar fi anvelopele late, schimbarea ecartamentului, coborârea centrului de greutate, etc., afectează considerabil zgomotul și comporta-mentul confortabil al autovehiculului [ ].

Vibrațiile în timpul frânării pot apărea în anumite circumstanțe la vehiculele grele. Vibrațiile pot fi de două tipuri. O vibrație în volan de frecvență scăzută și o vibrație de frecvență ridicată care afectează întregul vehicul. Un vehicul care să se comporte în așa fel încât să fie complet fără vibrații în timpul frânării este mai mult sau mai puțin posibil. În timpul frânării într-un domeniu mare al vitezei, de la 80 la 0 km/h, sunt de așteptat vibrații minore. În timpul frânării într-un domeniu mic al vitezei de la 50 la 0 km/h și în timpul frânării de reducere a vitezei de la 60 la 40 km/h, ar trebui să apară doar vibrații nesemnificative. Reglarea frânării dintre vehicul și remorcă este vitală. Este mai probabil ca vibrațiile să apară într-un vehicul care efectuează cea mai mare parte a frânării. Este necesară verificarea setării supapei de detectare a sarcinii pentru a preveni folosirea punții față mai mult decât este necesar. Trebuie efectuate o reglare teoretică a frânei și/sau un test de performanță a frânei la vehicul și remorcă. Dacă nu este disponibil un stand de frână cu role, trebuie efectuat un test de deplasare la încărcarea maximă urmat de măsurarea temperaturii în tamburii de frână. Un asemenea test va indica toate deficiențele de la remorcă. Designul frânei roții cu butucul, tamburul și janta montate în aceeași unitate, poate cauza uneori, în funcție și de alte lucruri legate de modul de contact al tamburului și jantei, într-un cuplu sau ordine de strângere, o bătaie a tamburului și vi-brații în timpul frânării. Vibrațiile distribuite la cabină și volan sunt adesea identificate ca vibrații ale volanului, care pot fi inițiate de una sau ambele roți ale punții din spate. Din acest motiv, ar trebui efectuat un test de deplasare a vehiculului pentru a determina dacă vibrațiile sunt inițiate de roțile din față sau de cele din spate. Ambele tipuri de vibrații sunt iritante, în orice caz, este impor-tant să se afle dacă efectul de frânare rămâne nemodificat. Au fost efectuate calcule și investigații de laborator amănunțite pentru a identifica sistemul oscilant (care vibrează) în care au fost analizate toate componentele implicate. Diferitele teste au indicat că în principal o neplanitate a jantei și su-prafața murdară între tambur și jantă cauzează o ovalitate considerabilă. Totodată pot exista pietre, gheață sau alte corpuri străine în jantă, componente desprinse, plăcuțe de frânare uzate, elemente de ghidare a etrierului de frânare uzate sau rulmenți uzați, acestea putând duce la dezechilibrul roților și apariția vibrațiilor.

Trepidația frânei

Termenul de „trepidație a frânei” [ ], [ ], se referă la torsiunea de frânare neuniformă și de aici la fluctuațiile forței de frânare care apar în timpul frânării, mai exact în decursul unei rotații comple-te a discului de frână. Aceste fenomene, având diverse cauze, sunt împărțite în trepidația termică, care apare în timpul decelerării de la viteze mari, și trepidația la rece, care se poate manifesta la orice viteză. „Trepidația termică” poate fi descrisă după cum urmează, o trepidație răsunătoare într-un interval de frecvență cuprins între 100 și 250Hz. Intensitatea sunetului poate varia pe durata de-celerării, neafectând însă frânarea. Fluctuațiile torsiunii pot fi deseori resimțite ca o vibrație a vola-nului, impulsuri în pedala de frână și vibrația componentelor șasiului. Apariția trepidației la frânare depinde de forța aplicată pe pedala de frână. Trepidația termică (fig. 4.14) poate fi identificată de obicei printr-o dispunere circulară a punctelor de pe suprafața de fricțiune a discului frânei. Ele sunt cauzate de supraîncălzirea locală din timpul frânării, fapt care provoacă transferul de materiale de pe plăcuța de frână către discul de frână și/sau modificarea permanentă a structurii materialului turnat al discului de frână. De obicei, materialul transferat este înlăturat în timpul frânării obișnuite, însă modificările structural, denumite și formațiuni martensitice, sunt mai dure decât structura de bază a materialului discului și pot fi înlăturate numai prin prelucrare. În momentul reparării unui disc care prezintă puncte martensitice este importantă înlăturarea completă a zonelor solidificate. Pentru a preveni riscurile, ar fi ideală înlocuirea discului [ ].

Fig. 4.14. Trepidația termică [ ]

Formarea punctelor prin supraîncălzirea locală este provocată de o serie de factori, în anumite condiții, discul se poate deforma în momentul frânării puternice. Această flexare a discului poate avea ca rezultat deformarea permanentă. Uzura discului de frână este sub grosimea minimă (a se vedea recomandările producătorului), fapt care reduce capacitatea discului de a disipa căldura.

În majoritatea cazurilor, trepidația este produsă de factori multipli, făcând dificilă identifica-rea clară a cauzei de proveniență, prin urmare, este necesară investigarea minuțioasă și cu atenție a cauzei și remedierea deficienței, iar această activitate ar trebui realizată de către un atelier de repara-ții specializat, cu un nivel ridicat de experiență.

De obicei, trepidația termică poate fi redusă prin alegerea materialelor de fricțiune adecvate, cu condiția ca celelalte componente ale vehiculului, menționate anterior, să se afle în stare irepro-șabilă. Atunci când se realizează o astfel de optimizare, se va avea în vedere faptul ca aceasta să respecte toate cerințele specificate pentru sistemul de frânare [ ].

„Trepidația la rece” apare în timpul frânării obișnuite și poate fi identificată prin pulsarea pe-dalei de frână, fluctuații de torsiune ale volanului și/sau vibrația axului și componentelor șasiului. Diferențierea caracteristică dintre aceasta și „trepidația termică” constă în faptul că trepidația la rece poate să apară aproape de fiecare dată când este acționată frâna, având un interval de frecvență mult mai scăzut (de la aproximativ 5 la 50 Hz). De asemenea, intensitatea trepidației poate varia odată cu viteza vehiculului.

Trepidația la rece este provocată în principal de variațiile grosimii discului și similar cu trepi-dația termică, poate fi amplificată de componentele defectuoase ale lagărului și de roțile dezechili-brate. Fiecare disc de frână prezintă bătăi radiale provocate de toleranțele de fabricație și asamblare. Plăcuțele frânei cu disc vor avea întotdeauna un anumit contact cu discul de frână în timpul deplasă-rii fără acționarea frânei, iar acest contact va fi cel mai accentuat în anumite puncte ale discului. Deși forțele de contact sunt relativ scăzute, ele provoacă uzura acestor puncte ale discului de frână. Rezultatul constă în variația grosimii discului, care eventual provoacă trepidația. Presupunându-se că sunt îndeplinite anumite condiții preliminare, această variație a grosimii discului poate fi redusă de obicei sau reeliminată la frânarea obișnuită, care menține în stare acceptabilă de echilibru varia-țiile determinate de alternarea între generarea și reducerea grosimii.

Sarcinile aferente șocului termic asupra suprafeței discului de frână pot provoca fisuri în structura din fontă a acestuia. Aceste fisuri reduc puterea discului de frână și, în funcție de dimensi-unile lor și de forța aplicată, poate avea loc ruperea materialului. Este dificil de precizat dimensiu-nea la care fisurile încep să reprezinte o problemă, însă pentru a preveni defectarea, însoțită de posi-bilele sale consecințe fatale, discurile de frână pe care fisurarea este vizibilă clar, fără ajutor de na-tură tehnică, ar trebui înlocuite (fig. 4.15).

Fig. 4.15. Discuri de frânare fisurate [ ]

De asemenea, merită să fie remarcat și faptul că probabilitatea de rupere a discului de frânare crește proporțional cu lungimea fisurilor. În mod suplimentar față de prezența unui risc de rupere a discului, o suprafață fisurată a discului acționează ca și o mașină-unealtă asupra plăcuțelor de frână,

provocând uzura excesivă a plăcuței, uzura se accentuează la temperaturi înalte, la care lățimea fisu-rii se mărește.

Modele de uzură a tamburilor de frânare

Eliberarea considerabilă de căldură generată în timpul frânării poate provoca anumite modifi-cări ale uzurii pe suprafața tamburului de frână. Zgârieturile de suprafață, fisurile termice minore (sub 1,5mm lățime sau adâncime), nu justifică înlocuirea tamburului de frânare. În figura 4.3 se pre-zintă un model de uzură care poate fi acceptat în funcționare (zgârieturi și pete dure minore datorate supraîncălzirii) [ ].

Fig. 4.16. Tambur de frânare cu zgârieturi și puncte dure datorate supraîncălzirii [ ]

În figura 4.16 este reprezentat același tambur după un ciclu de aproximativ de 700 frânări nor-male de la 70 la 0 km/h, cu un autovehicul complet încărcat. Cifrele arată că frânarea fără supraîn-călzire determină parțial dispariția punctelor dure și acel model de uzură a tamburului de frână se îmbunătățește.

Fig. 4.17. Tamburul din figura 4.16 după un ciclu de 700 de frânări [ ]

Trebuie acordată o atenție deosebită modelului de uzură cu o formare considerabilă a fisurilor, în special în punctele dure (fig. 4.17). Tensiunea cauzată de căldură, în material adâncește rapid for-marea fisurilor. În punctele dure, materialul a devenit martensit și, ca urmare a acestei schimbări, și-a pierdut rezistența și aceste fisuri s-au extins. Un punct dur este o ridicare a suprafeței de uzură a tamburului de frână. În timpul frânării, punctele dure din tamburul de frână devin considerabil supraîncărcate și supraîncălzite, iar tensiunile care se formează duc la o creștere rapidă a fisurilor.

Fig. 4.18. Tambur de frânare cu fisuri considerabile [ ]

Figura 4.18 arată suprafața de uzură a tamburului de frână după alte 700 de cazuri normale de frânare. Formarea fisurilor este acum atât de profundă încât există pericol considerabil de defectare a tamburului. În această situație tamburul de frânare necesită înlocuire. În cazurile anterioare tam-burul de frânare poate fi rectificat la o cotă de reparație, cu condiția ca în prealabil să-i fie măsurată ovalitatea și bătaia radială.

Ovalitatea poate fi cauzată de [ ], [ ]:

roata nu a fost montată conform instrucțiunilor, adică fie frâna de parcare nu a fost eliberată, su-prafețele de contact nu au fost curățate sau instrucțiunile de strângere a roților nu au fost respect-tate;

janta este defectă. Acest lucru poate fi determinat prin analiza măsurătorilor. Dacă ovalitatea crește atunci când janta este atașată, janta trebuie înlocuită;

dacă vehiculul a fost condus cu un tambur de frână oval, acesta trebuie să fie rectificat sau înlo-cuit pe măsură ce s-a deformat. Din acest motiv, trebuie luate imediat măsuri împotriva vibrații-lor asociate cu înlocuirea roților;

trebuie urmărit să nu existe urme de vopsea sau murdărie pe suprafețele de așezare a tamburului sau jantei.

Zgomotele, trepidațiile și vibrațiile frânelor cu tambur au aceleași cauze ca și în cazul frânelor cu disc, deasemenea trebuie asigurat un contact bun, pe toată suprafața dintre sabotul de frânare și tambur, pentru a evita vibrațiile, între segmentul de frânare și sabot nu trebuie să existe impurități, iar la înlocuirea segmenților de frânare aceștia trebuie nituiți pe sabot cu o forță de aproximativ 18kN.

Analiza funcțională comparativă a frânelor cu tambur sau disc

La autovehiculele moderne s-a trecut la utilizarea pe scară largă a frânelor cu disc, în detri-mentul frânelor cu tambur, datorită disipării mai bune a căldurii rezultate în timpul frânării. Cuplul de frânare disponibil asupra tamburului sau a discului de frânare este responsabil pentru decelerarea autovehiculului, și este necesar să se compare performanța obținută în timpul frânării de către frâne-le cu tambur sau disc pentru optimizarea și alegerea mecanismului de frânare corespunzător, astfel încât să se obțină rezultatele scontate. Coeficientul de frecare este dependent de o sumă largă de parametrii, incluzând viteza de alunecare, accelerație, distanța de alunecare critică, temperatură, sarcină normală, umiditate și desigur compoziția materialelor de fricțiune.

Producătorii de sisteme de frânare solicită un număr de cerințe privind materialele de fricțiune cum ar fi [3], [ ]:

coeficientul de frecare mediu trebuie să se apropie de 0,45;

Δμ adică variația lui μ (coeficientul de frecare) în timpul opririi frânei trebuie să se apropie de zero;

zgomotul de frânare și praful pe roată trebuie evitate, acestea fiind greu de respectat.

Din perspectiva frânării de urgență, factori precum frecarea dintre tambur/sabot și disc/plăcuță de frânare și cuplul de frânare utilizabil sunt dificil de determinat tocmai datorită variațiilor în con-dițiile de funcționare. Acest lucru susține necesitatea unor metode eficiente de calculare a coefici-entului de frecare pentru sistemele de frânare cu disc și tambur. În timpul frânării în automobile există un transfer dinamic al greutății pe roțile din față ale vehiculului, cu o scădere corespunzătoare a greutății asupra roților din spate. În consecință, există o redistribuire a cuplului de frânare utili-zabil la frânele față și spate într-o manevră de frânare [4]. Prin urmare, pierderea totală de direcție poate să apară atunci când coeficientul de frecare dinamic nu este conform cerințelor dinamicii ve-hiculului, în căutarea acestui fapt, o atenție deosebită a fost acordată cercetătorilor și designerilor de sisteme de frână. S-a formulat un model matematic [5] al factorilor care influențează forța de frâna-re, iar rezultatele au arătat că forța de frânare și coeficienții de aderență sunt interdependenți. S-au considerat că sarcina normală, viteza de alunecare, condițiile ambientale și materialul [6], [8] au obținut un coeficient de frecare mai mic, măsurând forțele de frecare și tragere între un bolț metalic și o placă. Totuși s-au făcut eforturi pentru a stabili influența accelerației de alunecare pentru a îm-bunătăți predicția coeficientului de frecare în timpul operațiilor tranzitorii. Aceasta a condus la con-cluzia că accelerația de alunecare este mai mare, cu cât este mai mare coeficientul de frecare. Majoritatea materialelor au prezentat o dependență aproape liniară a coeficientului de frecare de presiunea de contact în intervalele studiate [9]. Sistemul de frânare produce o forță de frecare (Coulomb) care este rezultatul forțelor de contact la contactul saboților și tamburului de frână și între discul și plăcuța de frână, în frânele cu disc. Această forță de frecare (Coulomb) este responsa-bilă de cuplul de frânare utilizat pentru decelerarea vehiculului și, prin urmare, este oportun să se ia în considerare impactul acestuia. Frânele cu discuri necesită o forță de acționare mai mare decât pentru frânele cu tambur, deoarece nu au nici un moment de frecare, nici acțiune servo, pentru a ajuta la aplicarea frânei.

Cu toate acestea s-au efectuat cercetări ample privind frânele, utilizând analiza de contact [10] [20], disiparea căldurii [21] și diferite compoziții de material pentru suprafețele de frecare. Dar metodologia eficientă pentru calcularea cuplului de frânare utilizabil care este funcția coeficientului de frecare la interfața suprafețelor de frecare din tambur și disc nu a fost discutată în literatura de specialitate. Prezentul studiu intenționează să estimeze și să compare performanțele tamburului și a discului de frânare, luând în considerare coeficientul de frecare.

Înainte de a putea aprecia diferența dintre tambur și discul de frână, trebuie înțeles principiul comun pe care ambele mecanisme le folosesc la oprirea unui autovehicul, frecare și căldură. Apli-când rezistență sau frecare unei roti în mișcare, frânele unui vehicul determină încetinirea roții și, eventual, oprirea, generând căldură ca produs secundar. Viteza la care poate fi încetinită o roată depinde de mai mulți factori, inclusiv greutatea vehiculului, forța de frânare și suprafața totală de frânare. De asemenea, depinde foarte mult de cât de bine sistemul de frânare transformă mișcarea roții în căldură (prin frecare) și, ulterior, cât de repede se elimină această căldură din componentele frânei. Aici diferența dintre frânele cu tambur și frânele cu discuri devine pronunțată. Sistemele de frânare de fabricație timpurii [ ], după epoca pârghiilor de mână, desigur, au folosit un design de tambur la toate cele patru roți. Acestea au fost numite frâne cu tambur, deoarece componentele erau adăpostite într-un tambur rotund care se rotea împreună cu roata. Înăuntru era un set de saboți care, atunci când pedala de frână era apăsată, acționau pe tambur și încetineau roata. Fluidul a fost utilizat pentru a transfera mișcarea pedalei de frână în mișcarea saboților de frână, în timp ce saboții înșiși erau fabricați dintr-un material de fricțiune rezistent la căldură similar cu cel folosit pe plăcile am-breiajului. Acest design de bază sa dovedit capabil în cele mai multe cazuri, dar a avut un defect major. În condiții de frânare ridicate, cum ar fi coborârea unui deal abrupt cu o sarcină grea, frânele cu tambur și-ar pierde eficiența. Din acest motiv, frânele cu tambur pot funcționa numai atâta timp cât pot absorbi căldura generată de încetinirea roților vehiculului. Odată ce componentele frânei devin saturate cu căldură, acestea pierd capacitatea de a opri un vehicul, ceea ce poate fi deranjant pentru conducătorul vehiculului.

Deși frânele cu discuri se bazează pe aceleași principii de bază pentru a încetini un vehicul (frecare și căldură), designul lor este cu mult superior celui al frânelor cu tambur. În loc să adăpos-tească principalele componente ale mecanismului într-un tambur metalic, frânele pe disc utilizează un rotor subțire și un etrier mic pentru a opri mișcarea roților. În interiorul etrierului sunt două plăcuțe de frână, una pe fiecare parte a rotorului, care apasă împreună pe disc când pedala de frână este apăsată. Dar, spre deosebire de frânele cu tambur, care permit căldurii să se acumuleze în interiorul tamburului în timpul frânării puternice, rotorul utilizat la frânele cu discuri este pe deplin expus la aerul exterior. Această expunere funcționează pentru răcirea constantă a rotorului, redu-când în mare măsură tendința sa de a se supraîncălzi.

Norme tehnice de adaptare a frânelor pentru păstrarea condițiilor de frânare

Pentru a preveni înrăutățirea condițiilor de frânare și a îmbunătăți siguranța circulației, siste-mul de frânare al unui autotren rutier trebuie adaptat, adică autovehiculul trăgător trebuie să frâneze cu aceeași forță și decelerare ca și remorca sau semiremorca acestuia. Adaptarea frânelor se execută pentru a spori comportarea autotrenului rutier în timpul frânării, și nu numai, și în primul rând fiind o preocupare majoră pentru siguranța circulației. Această funcție este îndeplinită partial de către sistemul ABS/EBS. Un alt motiv pentru adaptarea frânelor este acela de a uniformiza uzura între toate frânele combinației de vehicule, o adaptare incorectă a frânelor poate provoca supraîncălzirea frânelor individuale care, la rândul lor, pot cauza defecțiuni (fig. 4.19).

Fig. 4.19. Forțele care acționează asupra autotrenului în timpul frânării [ ]

Tp – Centrul de greutate al autotrenului; G – Greutatea autotrenului; m – Masa autotrenului; a – Decelerarea autotrenului; Gd – Presiunea dinamică pe punte; B – Puterea de frânare utilizată; Bn – Puterea de frânare adăugată de frânele pe roti.

Adaptarea frânelor înseamnă aceeași capacitate de frânare și acționare simultană a frânelor pentru vehiculele care compun autotrenul. O creștere a presiunii pe punte în partea din față are loc întotdeauna când se frânează și este așa numita presiune dinamică pe punte. Dacă adaptarea frânelor este corectă între vehiculele care tractează și cele remorcate, nu va exista o tragere anormală, tensi-uni la împingere în dispozitivul de remorcare sau uzură anormală la oricare dintre componentele frânelor pe roți.

Vehiculele cu frânele adaptate oferă un confort excelent la rulare, durată de viață, economie și siguranță în trafic. Aproximativ 90% din numărul total al situațiilor de frânare au loc la presiuni de frânare scăzute, sub 2 bari, ceea ce face foarte importantă adaptarea frânelor între vehiculele care remorchează și cele remorcate, la aceste presiuni scăzute. Adaptarea frânelor începe cu o evaluare a lor, care se concretizează prin verificare, reglare și reparare. Rodajul frânelor trebuie efectuat după ce frânele au fost reparate și garniturile de frână au fost înlocuite.

Factorul important este acela că frânele pe roți încep să frâneze la aceeași presiune de pornire Pm. Aceasta se verifică măsurând presiunea conexiunii remorcii (comandă) care trebuie să fie între 0,5–0,8 bari. Reglarea este efectuată cu ajutorul supapelor de comandă ale vehiculului. Dacă remor-ca nu are supapă de comandă reglabilă (supapă de frânare), supapa care nu poate fi reglată trebuie înlocuită cu una reglabilă (fig. 4.20).

Fig. 4.20. Schema simplificată a instalației de frânare [ ]

A – Supapa frânei de serviciu; B – Supapă de comandă vehicul tractant; C – Supapă de comandă vehicul remorcat (frână remorcă); Pm – Presiune de comandă (punct de pornire pentru adaptarea frânelor); Px – Presiune cilindri de frânare.

Adaptarea presiunii de pornire este cea mai importantă parte a adaptării frânelor. Presiunea de pornire se evaluează cu o analiză grafică completă a frânelor imprimată de un stand de frânare. Dacă nu există un stand cu role pentru frânare, se vor ridica punțile și învârti roțile cu mâna pentru a măsura presiunea de pornire Pm când frâna este activată și se va efectua o evalu-are manuală a presiunii de pornire. Pentru a verifica rezultatul adaptării frânelor, temperatura roților vehiculului trebuie măsurată la funcționare normală. Frânele cu aceeași dimensiune trebuie să aibă temperaturi similare.

Forța de frânare măsurată cu ajutorul standului de frânare este forța care rezultă între ban-da de rulare a anvelopei și suprafața de rulare, în timpul frânării, iar capacitatea de frânare a vehicu-lului este rezultatul forțelor de frânare combinate al tuturor roților, împărțit la greutatea vehiculului (fig. 4.21).

Fig. 4.21. Forțele care acționează asupra roții în timpul frânării [ ]

Fs – Forța sabotului secundar; Fp – Forța sabotului principal; µ1 – Coeficient de fricțiune, sabot/tam-bur de frână; Bs – Forța de frânare a sabotului secundar; Bp – Forța de frânare a sabotului principal; Bn – Forță de frânare adăugată la peri-feria anvelopei; B – Forță de frâ-nare utilizată (B = Bn cu roata de-blocată); µ2 – Coeficient de fric-țiune, anvelopă/suprafață de rulare; Gd – Presiune dinamică pe punte.

Efecte la frânare

Remorcă suprafrânată. Există riscul de înclinare laterală a remorcii, apărând o uzură puternică a echipamentului de frânare a remorcii (fig. 4.22).

Fig. 4.22. Remorcă suprafrânată [ ]

Remorcă nefrânată. Există riscul de forfecare a autotrenului rutier, apărând o uzură puternică a echipamentului de frânare a vehiculului tractor (fig. 4.23).

Fig. 4.23. Remorcă nefrânată [ ]

Vehicule cu frâne adaptate. În principiu, bara de remorcare (proțapul) poate fi demontată în tim-pul fazei de frânare fără ca distanța dintre vehicule să se schimbe. Cu toate acestea, în practică se dorește o ușoară extensie a autotrenului rutier (fig. 4.24).

Fig. 4.24. Autotren rutier cu frâne adaptate [ ]

Cerințe pentru frânare

Pentru ca frânele vehiculului care remorchează și cele ale vehiculului remorcat să funcționeze bine împreună, legea cere satisfacerea anumitor cerințe. Una dintre aceste cerințe este ca încetinirea vehiculului să se facă în anumite limite (coridor de frânare). Conform figurii 4.25, valorile parame-trilor de frânare ai autovehiculului trăgător (A), cât și a celui tractat (B), trebuie să se afle în interio-rul coridorului marcat cu linie întreruptă.

O testare a frânelor pe standul de frânare cu role trebuie efectuată cu un vehicul complet în-cărcat. Pentru vehiculele descărcate există standuri cu role care coboară puntea hidraulic spre role pentru a crește presiunea pe role în vederea simulării funcționării în sarcină maximă a supapelor de detectare a sarcinii, această simulare poartă numele de extrapolare. Testul forței de frânare este efectuat la o presiune de frânare de sub 2 bari. Standul pentru frâne crește valoarea măsurată la o presiune de frânare mai mare și împarte această valoare măsurată la greutatea totală pentru a obține decelerația totală. Diferența de presiune de frânare între circuitele față și spate poate fi de maximum 0,2 bari [ ].

Fig. 4.25. Diagrama condițiilor de frânare impuse [ ]

Cam 90% dintre frânări au loc până la presiunea de 2 bari, doar restul se efectuează la presi-uni mai mari, diferența de încetinire între camion și remorcă poate fi de cel mult 0,1–0,2 m/s², pen-tru presiuni mai mari, se poate permite creșterea diferenței.

Temperaturile tamburilor de frână ale vehiculului tractant și ale remorcii, de aceeași dimen-siune (de ex. diametru de 410–420 mm) trebuie să se înscrie în același domeniu. Tamburii de frână mai mici ajung la o temperatură mai mare pentru un același parcurs. Cea mai mare diferență de tem-peratură permisă între roțile de pe aceeași punte sau între toate punțile cu tamburi de frână de ace-eași dimensiune este de 20–30 °C la 100–150 °C, iar temperatura maximă este de 200 °C.

Un stand de frânare cu role este avantajos de utilizat în timpul adaptării frânei, atât timp cât sunt luate în considerare limitele acestei metode. Aceste limitări privesc în principal incertitudinea cu privire la valorile frânei la viteză mică de încercare. Diagrama din figura 4.26 ilustrează modul în care se comportă două tipuri diferite de garnituri de frână atunci când sunt testate pe un stand de frâ-nare cu role (2-3 km/h) și când se frânează pe drum (80 km/h). Coeficientul de frecare (μ) variază complet în funcție de cele două tipuri de garnituri de frână din acest exemplu, de aceea este impor-tant să se finalizeze această adaptare folosind adaptarea teoretică a frânei, adaptarea presiunii de pornire și măsurarea temperaturii. Adaptarea presiunii de pornire poate fi realizată cu ușurință pe standul frânei cu role în același timp cu adaptarea frânei.

Se va efectua un test conform instrucțiunilor standului de frânare cu role și se va măsura presiunea Pm în același timp. Se recomandă măsurarea presiunii cilindrului (Pc) în același timp, pentru a ușura depistarea eventualelor defecțiuni, dar nu este necesară adaptarea frânei în sine. Dacă vehiculul nu este încărcat la greutatea maximă admisă, supapa de detectare a sarcinii trebuie să fie în poziția deschis [ ].

Fig. 4.26. Dependența coeficientului de fricțiune în funcție de viteză [ ]

Diferența de decelerare între camion și remorcă ar trebui să fie de maximum 0,1-1,2 m/s2. La presiuni mai mari, este permis ca diferența dintre camion și remorcă să fie puțin mai mare.

Fig. 4.27. Diagrama adaptării corecte a frânelor [ ]

Tractorul trebuie să aibă aceeași sau o întârziere mai mare decât semiremorca la presiune mai mare. Acest lucru se datorează faptului că tractorul trebuie să frâneze o proporție mai mare din greutatea semire-morcii în comparație cu sarcina pe osie atunci când vehiculul nu frânează. În acest caz presiunea de pornire, Pm este similară și diferența de decelerare este acceptabilă (fig. 4.27).

Fig. 4.28. Diagrama adaptării incorecte a frânelor [ ]

În acest caz, echipamentul de frână este probabil acceptabil, dar presiunea de pornire Pm este incorectă. Frânele camionului vor frâna întotdeauna mai mult decât frânele remorcii (fig. 4.28).

Fig. 4.29. Diagrama adaptării incorecte a frânelor [ ]

În acest caz există o forță de frânare mare pe autocamion, care este ilustrată de unghiul abrupt al curbei. Acest lucru nu poate fi compensat prin creșterea presiunii de pornire Pm pe autocamion pentru a obține o bună adaptare a frânei. Adaptarea frânei pe acest autotren va fi corectă doar la o singură presiune a frânei, atunci când curbele se încrucișează (fig. 4.29).

Test de frânare pe drum (probă de drum)

Pot fi efectuate probe de frânare pe drum după ce, în prealabil s-au montat pe autovehicul manometre calibrate și autorizate metrologic, cu ajutorul cărora să poată fi citite presiunile de co-mandă și cele de frânare a roților. Se va verifica presiunea de pornire începând cu presiunea Pm, care trebuie să fie de 0,5–0,8 bar. Se va utiliza un manometru la capul de cuplare (comandă) al re-morcii. Prin ridicarea roților, punte cu punte, se poate verifica presiunea de pornire și se poate regla supapa de comandă astfel încât vehiculul care remorchează și remorca să obțină aceeași presiune de pornire când frânele încep să frâneze (supapele de detectare a sarcinii trebuie să fie în poziția de sarcină maximă). Pentru a testa dacă sistemul de frânare este echilibrat fără a avea acces la un stand de frânare cu role, vehiculul trebuie să fie încărcat și condus pe un drum mai degrabă dificil astfel încât tamburii de frână să se încălzească. Se vor utiliza forțe de frânare între 1,0–2,5 bari.

Fig. 4.30. Măsurarea temperaturii cu ajutorul unui termometru cu raze infraroșii [ ]

Cum s-a amintit mai sus, măsurarea temperaturii tamburilor de frânare (fig. 4.30) trebuie efec-tuată după test, aceasta este o metodă excelentă pentru a verifica dacă adaptarea frânei a fost efectu-ată corect. Este important să se măsoare temperatura în funcționare normală, iar vehiculul să fie condus de către conducătorul său, vehiculul având sarcină normală de încărcare și în condiții nor-male de conducere. Este important ca autocamionul să fie condus suficient de mult pentru ca materialul din jurul frânelor să aibă timp să se încălzească până la un nivel stabil. Timpul necesar pentru a ajunge la un nivel stabil depinde de condițiile de conducere. Se recomandă cel puțin 30 de minute. Se va avea în vedere ca murdăria și rugina să fie îndepărtate de pe tamburii de frânare pen-tru a se obține un contact bun. Valorile temperaturilor măsurate se vor trece într-un raport.

Fig. 4.31. Ordinea de măsurare recomandată [ ]

Tamburii de frânare de pe un vehicul staționar se răcesc destul de lent, astfel încât este sufici-ent timp pentru efectuarea măsurătorilor. Când s-au măsurat toate roțile, este bine să se măsoare din nou prima roată pentru a verifica dacă temperatura nu s-a schimbat prea mult. Dacă temperatura a scăzut mai mult de 10-15°C, măsurarea trebuie repetată după un nou test de drum mai lung (fig. 4.31).

La o combinație a vehiculului cu frâne de dimensiuni egale atât la camion, cât și la remorcă (aproximativ 410-420mm diametru interior pe tamburul de frână), temperatura nu trebuie să difere mai mult de 20°C între tamburii de frână la temperaturi sub 100°C. Camioanele cu reductoare de transmisie în butucul roții pot avea o temperatură ușor mai ridicată la tamburi din cauza condițiilor inferioare de răcire și a eliberării de căldură din reductorul butucului. Dacă frânele de pe remorcă sunt mai mici de 410-420mm, de exemplu tamburii de frână cu un diametru interior de 360mm sau chiar 300 mm, acestea vor avea o temperatură mai mare, deoarece există o cantitate mai mică de masă pentru a stoca energia frânei. Dacă se folosește întotdeauna aceeași combinație de camion și remorcă, diferența de dimensiune a tamburului poate fi compensată prin scăderea ușoară a presiunii, astfel că frânele camionului să preia o parte din frâna remorcii. Dacă se folosesc remorci diferite pe același camion, trebuie acceptat că frânele mici se vor încălzi mai repede decât cele mari. Dacă vreo osie din combinația vehiculului este prevăzută cu frâne cu disc, acestea vor fi, de asemenea, mai fierbinți decât frânele cu tambur fixate pe alte osii [ ].

Materiale de fricțiune utilizate în construcția frânelor la autovehicule comerciale

Deoarece frânarea unui autovehicul necesită mult mai multă energie decât accelerarea acestu-ia, plăcuțele și garniturile de frână ale autovehiculelor comerciale sunt expuse în mod continuu stre-sului ridicat. Spre exemplu, cu o putere a motorului de 340kW, un autocamion de 40to poate acce-lera de la 0 la 80 km/h în 45 de secunde. Pe de cealaltă parte, frânarea completă de urgență de la 80 la 0 km/h în 3 secunde necesită o putere de frânare de 3.300kW, ceea ce impune un factor de stres incredibil pentru o componentă de fricțiune destul de mică. Compromisurile în materie de calitate pot deveni rapid foarte costisitoare.

Garniturile de fricțiune sunt realizate din materiale fără azbest, presate în forme, în conformi-tate cu solicitările clientului sau sub formă de plăci. Tehnologiile de amestecare și compresie utili-zate permit obținerea unui material omogen, fiabil, cu un coeficient ridicat de fricțiune într-un inter-val larg de temperaturi, uzură uniformă redusă și o funcționare silențioasă și stabilă. Utilizarea fi-brelor aramidice asigură menținerea corespunzătoare a elasticității și rezistență la fisurare. Garnitu-rile de fricțiune sunt utilizate, în general, pentru frâna cu disc, frâna cu tambur, etc.

Principalele tipuri de plăcuțe de frânare sunt [ ]:

plăcuțe de frânare organice. O lungă perioadă de timp, materialul din care au fost realizate plă-cuțele de frânare a fost azbestul, material cu proprietăți foarte bune în ceea ce privește absorbția și disiparea căldurii. Însă praful de azbest este nociv sănătății (prin inhalare repetată conduce la dezvoltarea unei boli mortale – azbestoza). Ca urmare, în procesul de producție s-au introdus materiale organice (sticlă, cauciuc, etc.) utilizate în combinație cu rășini rezistente la temperaturi înalte. Acest tip de plăcuțe au avantajul că sunt ecologice și ușor de reciclat, însă materialul de fricțiune este mai moale și se uzează mai repede;

plăcuțe de frânare semimetalice (sinterizate). Acest tip de plăcuțe au în compoziție fibre meta-lice în proportie de 40%. Sunt utilizate în cazul autovehiculelor cu performanțe dinamice mai ridicate. Asigură caracteristici de frânare mai bune, însă numai după ce se încălzesc;

plăcuțe de frânare metalice. În componența acestora se regăsesc materiale care asigură un bun transfer al căldurii, cum sunt cuprul, oțelul și grafitul. Sunt caracterizate de un raport bun între valoarea de achiziție și durata de utilizare, performanțele de decelerare fiind ridicate. Dezavanta-jele sunt reprezentate de greutatea mai mare și de faptul că funcționarea optimă se obține după ce se încălzesc. Având în vedere faptul că materialul de fricțiune este mai dur, discurile de frânare se pot uza mai repede;

plăcuțe de frânare ceramice. Compoziția acestui tip de plăcuțe este formată dintr-un mix de fibre ceramice și cupru, metal cu caracteristici foarte bune în ceea privește transferul termic. Avanta-jele sunt multiple și țin de durata de utilizare îndelungată, răcire mai eficientă și mai rapidă, funcționare mai silențioasă. Dezavantajul este reprezentat de costul ridicat de achiziție.

Plăcuțele și garniturile de frânare trebuie să îndeplinească o varietate de funcții. Chiar și o di-ferență de un procent sau două a compoziției materialelor din care acestea sunt confecționate poate afecta performanța lor, deci controlul compoziției este important.

În tabelul 4.1 sunt reprezentate câteva caracteristici tehnice ale plăcuțelor de frânare prezenta-te anterior.

Tabelul 4.1. Caracteristici tehnice ale garniturilor de frânare [ ]

Pentru a analiza rolul materialelor care compun plăcuțele și garniturile de frânare în fricțiunea și controlul uzurii, nu este suficient să se cunoască pur și simplu compoziția lor, deoarece forma, distribuția și dimensiunea particulelor lor pot afecta comportamentul lor la frecare și uzură. De exemplu, granulația rotunjită dintr-un material dur, abraziv poate avea un efect diferit față de gra-nulația cu colțuri, la formarea și stabilitatea filmelor de suprafață induse prin frecare, care contro-lează comportamentul la frânare.

Materiale abrazive

Materialele abrazive ajută la menținerea curată a suprafețelor de frecare și controlează acumu-larea de material rezidual între aceste suprafețe. De asemenea, acestea cresc forța de frecare, în spe-cial atunci când sunt acționate frânele [ ].

Tabelul 4.2. Materiale abrazive și caracteristicile lor tehnice [55]

Modificatori de frecare

Aceste materiale lubrifiază, cresc forța de frecare sau reacționează cu oxigenul pentru a ajuta la controlul interfeței celor două suprafețe de frecare [ ].

Tabelul 4.3. Modificatorii de frecare și caracteristicile lor tehnice [55]

Armături și materiale de umplutură

Armăturile sunt utilizate pentru a menține compoziția generală a materialului de frecare, iar unele au funcții de umplutură, deasemenea. Ele pot fi metale, aliaje metalice, materiale ceramice sau organice, etc [ ]. Praful de frecare care conține acaju are capacitatea de a absorbi căldura creată prin frecare păstrând totodată eficiența frânării. Este un produs major de export din India. Presupusul avantaj al rășinii de acaju, în comparație cu rășina fenolică simplă, este că produce un material mai moale, care este mai eficient la uzură atunci când frânele sunt relativ reci, la fel cu temperaturile generate de autovehiculele cu viteză mai mică. Praful de frecare de acaju este o rășină polimerizată granula-ră, cu curgere liberă, derivată din lichidul de coajă de acaju (CNSL). Componenta principală în li-chidul de acaju procesat (CNSL) este Cardanolul, care apare în mod natural, ca și Alchenilfenol metasubstituit, similar cu Nonilfenolul. Cardanolul este de natură hidrofobă și rămâne flexibil și lichid la temperaturi foarte scăzute [55].

Tabelul 4.4. Armături și materiale de umplutură [55]

Materiale de liant (matrice)

Materialele de liant tipice pentru plăcuțele și garniturile de frânare ale autovehiculelor comer-ciale sunt rășinile fenolice. Există trei tipuri obișnuite de matrice pentru frânele autovehiculelor co-merciale [ ]:

metal sinterizat (cel mai utilizat);

carbon – carbon;

materiale organice.

Materialele cu matrice pe bază de fier tind să aibă o frecare mai mică decât materialele cu ma-trice pe bază de cupru.

Tabelul 4.5. Materiale de liant [ ]

Azbestul

Azbestul este silicatul de magneziu hidratat Mg3Si2O5(OH)4. Când este utilizat, la frânele autovehiculelor, conținutul de azbest variază între aproximativ 30-70%. Caracteristicile pozitive ale azbestului sunt:

azbestul este stabil termic la 500°C, peste această temperatură acesta produce silicați;

azbestul ajută la regenerarea suprafeței de frecare în timpul utilizării;

silicații produși de azbest sunt mai grei și mai abrazivi decât azbestul;

azbestul izolează termic;

se prelucrează bine;

se uzează bine;

este tare, dar flexibil;

azbestul este disponibil la costuri rezonabile. Caracterul fibros rămâne intact până la aproximativ 1400˚C.

Azbestul devine deshidroxilat la temperaturi ridicate. Tinde să se transforme în forsterită și silice peste 810˚C. Resturile de uzură conțin forsterită sau material amorf. Coeficientul de frecare cinetic (μk) al azbestului împotriva fierului pur este de 0,80. Tipul azbestului utilizat este important din cauza diferențelor de cost, proprietăți și procesare. Crizotilul este folosit în mod normal, dar pot fi utilizate și alte minerale de azbest, amosite și crocodolite. Alte trei tipuri (Antofilite, Tremolite și

Actinolitul) sunt mai rare și se găsesc în principal sub formă de contaminanți minori împreună cu alte minerale.

Cercetările medicale au arătat că fibrele de azbest se pot depune în plămâni și pot induce efecte adverse și afecțiuni respiratorii. În anul 1986, Agenția Internațională pentru Protecția Mediu-lui a anunțat o propunere de interzicere a azbestului. Interdicția ar fi impus ca toate vehiculele noi să aibă frâne fără azbest până în anul 1996. În prezent, produsele de frână din azbest nu mai sunt utili-zate pe piață, azbestul a fost înlocuit cu materiale organice non-azbest în urmă cu mulți ani.

Caracteristicile materialelor de frânare

Coeficienții de frecare pentru perechile de materiale de frână acoperă o gamă de la 0,07 până la 0,7, dar practic, majoritatea vehiculelor funcționează într-un interval mai restrâns. Valorile tipice variază de la aproximativ 0,3 la 0,6. Plăcuțele și garniturile pentru autovehicule comerciale conțin de obicei un liant, modificatori de performanță, abrazivi, lubrifianți și materiale de umplere. Unele dintre compoziții sunt date în procente de greutate, iar altele în procente, procentul în volum este unitatea de măsură corectă pentru compoziția materialului de frecare. Compozițiile exacte ale mate-rialelor de frecare pentru autovehiculele comerciale nu sunt publicate aproape niciodată în literatura de specialitate.

Rata medie de uzură a unui material tipic pentru plăcuță sau garnitură de frânare este de (0,5 micrometri) pe aplicație de frână. Aceasta corespunde la aproximativ 3 mg pierderi de material pe aplicație de frână. Discurile și tamburii de frânare pentru autovehicule comerciale sunt produse de obicei utilizând o distribuție de fontă cu grafit de tip A (fulgi având o distribuție uniformă și orientare aleatorie) cu o matrice perlitică cu conținut scăzut de ferită și carbură. Câteva dintre caracteristicile fontelor utilizate pentru tamburii de frânare și conținutul lor de carbon și sili-ciu sunt prezentate în tabelul 4.6.

Tabelul 4.6. Caracteristicile unor fonte [ ]

Uzura fontelor cu grafit în aplicațiile frânelor are loc prin procese abrazive, adezive și oxida-tive și în general nu poate fi reprezentată printr-o relație matematică. Ratele de uzură specifice, tipi-ce pentru tamburii din fontă sunt de 0,2 – 1,0 mg/MJ, dar rata de până la 5,0 – 16,0 mg/MJ poate rezulta atunci când materialul este foarte abraziv.

Frâne de carbon și ceramică

Frânele carbon-carbon cu aditivi ceramici au fost dezvoltate de către Brembo S.p.A (Curno, Italia), având o densitate de 2,2-2,4 g/cm3, acestea oferă avantajul greutății ușoare și producătorul susține că prezintă un comportament de frecare uniform. În anul 2000 au apărut ca opțiune frânele ceramic premium, acestea pe lângă avantajele pe care le aveau, erau foarte scumpe. La autovehi-culele comerciale există interesul utilizării tehnologiei de frânare cu ajutorul materialelor ceramice și compozite (pe bază de carbon), dar o provocare majoră este asigurarea performanțelor de frecare și stabilitatea frânării pe o plajă largă de temperaturi, în funcționare, iar eforturile de dezvoltare a unor materiale în acest domeniu sunt în curs.

Concluzii

Exigențele actuale privind siguranța rutieră impun dezvoltarea unor noi soluții tehnice și ma-teriale cu o rezistență crescută la uzură în condiții ridicate de stres, stres care se impune ca urmare a încărcării tot mai mari a mecanismului de frânare.

Uzura mecanismului de frânare a roții este accentuată datorită elementelor de frânare care sunt în contact și care reduc viteza autovehiculului prin fricțiune. Pentru a avea eficacitate ridicată, elementele de frânare trebuie să aibă un coeficient de frânare ridicat, totodată să poată elimina ușor temperatura creată între acestea, aceasta fiind un parametru secundar și nedorit, întru-cât duce la deformarea și uzarea mai rapidă a mecanismului de frânare.

Ansamblul disc/plăcuță de frânare sau tambur/sabot de frânare sunt cele mai solicitate compo-nente ale mecanismului de frânare, iar pentru realizarea lor fiind impuse anumite cerințe care trebu-ie întrunite de fiecare în parte. În condițiile respectării acestor cerințe, reducerea duratei de viață a acestui ansamblu poate fi evitată prin [ ] [ ]:

utilizarea unor materiale adecvate, care să satisfacă cerințele ridicate la uzură;

utilizarea unor tehnologii moderne de fabricație;

întreținerea corectă a ansamblului disc/plăcuță de frânare, tambur/sabot de frânare.

Discurile și tamburii de frânare sunt produse din fontă, acesta fiind cel mai bun material din punct de vedere tehnologic, care satisfice toate proprietățile necesare acestor componente ale meca-nismului de frânare. În condiții reale de funcționare, discul/tamburul de frânare este expus la o solicitare de oboseală termodinamică, din acest motiv materialele utilizate la realizarea lor trebuie să prezinte capacitate și difuziune termică ridicată, să aibă o densitate scăzută, să asigure un coefici-ent de frecare ridicat, caracteristici mecanice stabile la temperaturi ridicate în mediu umed, rezisten-ță ridicată la uzură, rezistență la coroziune, stabilitate la frânare, greutate scăzută, durabilitate în funcționare și preț de cost scăzut. Fonta este elementul care prin aliere cu mangan, vanadiu, molib-den, crom, cupru, etc., întrunește proprietățile necesare pentru realizarea discurilor și tamburilor de frânare.

O mai bună disipare a căldurii obținută prin frânele cu disc este responsabilă pentru utilizarea pe scară largă a sistemului de frânare cu disc la vehiculele moderne. Frânele cu disc au nevoie de o forță de acționare mai mare decât frânele cu tambur, deoarece nu au nici un moment de frecare și nici o acțiune servo care să ajute la aplicarea frânei.

Discurile/tamburii de frânare pot avea efect direct asupra duratei de viață a plăcuțelor/sabo-ților de frânare, iar alegerea lor se face în funcție de condițiile de frânare cerute, acestea putând fi din materiale organice, semimetalice, metalice și ceramice.

Bilanțul energetic al procesului de frânare arată că aproape toată energia cinetică a autovehi-culului se transformă în energie termică [34]. La o frânare intensivă puterea care trebuie absorbită de către frâne depășește adesea puterea motorului. Cantitatea mare de căldură care se degajă în tim-pul frânării contribuie la înrăutățirea calităților de frânare ale autovehiculului și grăbește uzarea garniturilor de frânare, a tamburilor, respectiv a discurilor mecanismului de frânare. La încălzirea excesivă a frânelor eficacitatea acestora se diminuează datorită apariției așa numitului fenomen „fading“. Tot datorită supraîncălzirii tamburii sau discurile de frânare se deformează sau se pot fisura, iar materialul din care sunt confecționate poate să-și modifice structura [35]. Toate aceste defecte conduc la trepidații și zgomote în timpul frânării, la reducerea coeficientului de frecare, etc., respectiv la diminuarea eficacității mecanismului de frânare, respectiv la micșorarea siguranței circulației.

Un mecanism de frânare eficient este fundamental pentru siguranța circulației pe drumurile publice și din acest motiv frânarea tuturor vehiculelor rutiere este reglementată în întreaga lume. Scopul aplicării legii pentru sistemul de frânare constă în asigurarea și menținerea standardelor de siguranță minime, astfel încât participanții la trafic să poată fi protejați de accidentele rutiere. Cele mai de bază cerințe sunt ca fiecare roată să fie echipată cu un mecanism de frânare controlabil, care să contribuie la decelerarea generală a vehiculului fără să producă o instabilitate periculoasă a sa în timpul frânării. Deoarece în timpul frânării energia cinetică a vehiculului este transformată în energie termică, cel mai important parametru măsurat în testarea frânării este temperatura. Totodată un parametru important al frânării fiind decelerarea, măsurarea acesteia în timpul frânării este im-portantă. La autotrenurile rutiere este foarte important ca frânele să fie adaptate, astfel ca ansamblul de vehicule din componența autotrenului să poată frâna fără să destabilizeze ansamblul respectiv și să se obțină o decelerare cât mai crescută, indiferent de condițiile de mediu și de drum.

Performanțele frânelor nu sunt afectate numai de materialele sau tehnologia de fabricare utili-zate, ci și de comportamentul conducătorului auto, exploatarea vehiculului, întreținerea și mediul general în care este condus. Pentru reducerea costurilor preliminare de dezvoltare a materialelor și tehnologiilor pentru frâne și pentru a facilita cercetarea în acest domeniu, a fost dezvoltată o varieta-te de echipamente de testare la scară de laborator, și nu numai.

Pentru obținerea unor condiții bune de frânare trebuie utilizate piese de calitate, reducându-se uzura mecanismului de frânare, aplicarea unor metode de întreținere preventive, care să elimine imobilizarea autovehiculelor din cauza unor defecțiuni neprevăzute și repararea lor într-un atelier specializat, care să dispună de echipamentele necesare unei astfel de intervenții.