Physicochemical Aspects of the Work of Passenger Car Brake Linings. Part I. The Effect of Frictional Additives

• Autorzy: Szlichting Maciej , Bieliński Dariusz M. , Jóźwik Iwona , Kosińska Anna , Dąbrowski Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.9728

Warianty tytułu

PL

Fizykochemiczne aspekty pracy okładzin hamulcowych samochodów osobowych. Cz. I. Wpływ dodatków ciernych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the influence of various systems of abrasive additives which determine the performance of the friction materials of brake pads. A friction material was used for the tests, in which the base recipe was modified with various types of abrasive additives: 1. “low steel” – of low steel content, containing aluminium and chromium oxides; 2. “hybrid” – containing in addition to abrasive components from the low steel family, abrasive components such as zirconium silicate, magnesium oxide or iron oxides, which are characteristic of the family of asbestos-free organic materials (NAO); and 3. “mild hybrid” – containing abrasive components found in the friction materials of the NAO family, on the formation and structure of the so-called third body on the surface of the brake disc as a result of braking. High-resolution scanning electron microscopy with an X-ray analyser (SEM-EDS) equipped with a focus ion beam (FIB) was used to study film thickness, morphology, and chemical composition. The results of the physicochemical analysis of the third body were correlated with the results of tribological tests on a brake dynamometer adapted to the measurements of acoustic signals (NVH – noise, vibration and harshness). The tests were carried out in accordance with the SAE-J2522 procedure, commonly known as AK-Master. The obtained results confirm the important role played by the so-called third body, formed on the surface of the brake disc for safety (COF), durability (wear of friction elements) and the acoustic spectrum accompanying braking.

PL

W pracy przedstawiono wpływ różnych układów dodatków abrazyjnych, które decydują o wydajności materiałów ciernych klocków hamulcowych. Do badań zastosowano materiał cierny, w którym modyfikowano recepturę bazową rożnego rodzaju dodatkami abrazyjnymi: 1. o małej zawartości stali (z ang. low steel) – zawierających w swoim składzie tlenki aluminium i chromu; 2. hybrydowe (z ang. hybrid) – zawierających oprócz składników abrazyjnych z rodziny low steel takie składniki abrazyjne jak krzemian cyrkonu, tlenek magnezu czy tlenki żelaza, które są charakterystyczne dla rodziny bezazbestowych materiałów organicznych – w skrócie NAO (z ang. non-asbestos organic); oraz 3. tzw. łagodne hybrydy (z ang. mild hybrid) – zawierające składniki abrazyjne, które występują w materiałach ciernych z rodziny NAO, na tworzenie się i strukturę tzw. trzeciego ciała na powierzchni tarczy hamulcowej w wyniku hamowania. W badaniach grubości filmu, jego morfologii i składu chemicznego wykorzystano wysokorozdzielczą skaningową mikroskopię elektronową z analizatorem rentgenowskim (SEM-EDS) i układem zogniskowanej wiązki jonów (FIB). Wyniki analizy fizykochemicznej trzeciego ciała poddano korelacji z wynikami badań tribologicznych na dynamometrze hamulcowym, przystosowanym do pomiarów sygnałów akustycznych NVH (z ang. noise, vibration and harshness). Badania prowadzono zgodnie z procedurą SAE-J2522, znaną powszechnie pod nazwą AK-Master. Uzyskane wyniki potwierdzają istotną rolę, jaką odgrywa tzw. trzecie ciało, powstające na powierzchni tarczy hamulcowej na bezpieczeństwo (COF), trwałość (zużyciem elementów ciernych) oraz widmo akustyczne towarzyszące hamowaniu.

Słowa kluczowe

EN

brake linings; abrasives; third body; surface; friction; wear; acoustic effect

PL

okładziny hamulcowe; dodatek cierny; trzecie ciało; powierzchnia; tarcie; zużycie; efekt akustyczny

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 2
• Strony: 89--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Szlichting Maciej

• TOMEX Brakes Ltd. partnership, Budzyn, Poland

autor

Bieliński Dariusz M.

• Institute of Polymer & Dye Technology, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Lodz, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0675-4594

autor

Jóźwik Iwona

• NOMATEN Centre of Excellence, NOMATEN MAB, National Centre for Nuclear Research, Swierk/Otwock, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5750-2691

autor

Kosińska Anna

• NOMATEN Centre of Excellence, NOMATEN MAB, National Centre for Nuclear Research, Swierk/Otwock, Poland

autor

Dąbrowski Tomasz

• BOSMAL Automotive Research and Development Institute Ltd., Mechanical Testing Laboratory, Bielsko-Biala, Poland

Bibliografia

• 1. Chan D., Stachowiak G.W.: Review of automotive brake friction materials. Proc. Instn. Mech. Engrs Part D 2004, vol. 218: J. Automobile Engineering, 13103.
• 2. Jang H., Kim S.J.: Brake friction materials, in: Polymer Tribology, S.K. Sinha, B.J. Briscoe (Eds.), Imperial College Press, London 2009, p. 506.
• 3. Jacko M.G., Rhee S.K., Othmer K.: Encyclopedia of Chemical Technology 4th ed., vol. 4, Wiley, New York 1992, p. 523.
• 4. Nicholson G.: Facts About Friction, Gedoran America, Winchester 1995.
• 5. Chan D., Stachowiak G.W.: Review of automotive brake friction materials. Proc. Inst. Mech. Eng. 2004, 218, p. 953.
• 6. Cho M.H., Cho K.H., Kim S.J., Kim D.H., Jang H.: The role of transfer layers on friction characteristics in the sliding interface between friction materials against gray iron brake discs. Tribol. Lett. 2005, 20, p. 101.
• 7. Blau P.J.: Compositions, Functions, and Testing of Friction Brake Materials and Their Additives. Oak Ridge National Laboratory Report ORNL/TM-2001/64, 2001.
• 8. Jang H., Kim S.J.: The effects of antimony trisulfide (Sb2 S3 ) and zirconium silicate (ZrSiO4 ) in the automotive brake friction materials on friction characteristics. Wear 2000, 239, p. 229.
• 9. Jang H., Lee J.S., Fash J.W.: Compositional effects of the brake friction material on creep groan phenomena. Wear 2001, 251, p. 1477.
• 10. Lee E.J., Hwang H.J., Lee W.G., Cho K.H., Jang H.: Morphology and toughness of abrasive particles and their effects on the friction and wear of friction materials: a case study with zircon and quartz. Tribol. Lett 2010, 37, p. 637.
• 11. Cho K.H., Jang H., Hong Y.S., Kim S.J., Basch R.H., Fash J.W.: The size effect of zircon particles on the friction characteristics of brake lining materials. Wear 2008, 264, p. 291.
• 13. Stachowiak G.B., Stachowiak G.W.: The effect of particle characteristics on three-body abrasive wear. Wear 2001, 249, p. 201.
• 14. Matejka V., Lu Y., Fan Y., Kratosovka G., Lesková J.: Effects of silicon carbide in semi-metallic brake materials on friction performance and friction layer formation. Wear 2008, 265, p. 1121.
• 15. Kim S.S., Hwang H.J., Shin M.W., Jang H.: Friction and vibration of automotive brake pads containing different abrasive particles. Wear 2011, 271, p. 1194.
• 16. Godet M.: The third-body approach: a mechanical view of wear. Wear 1984, 100, p. 437.
• 17. Eriksson M., Bergman F., Jacobson S.: Surface characterisation of brake pads after running under silent and squealing conditions. Wear 1999, 232, p. 163.
• 18. Eriksson M., Jacobson S.: Tribological surfaces of organic brake pads. Tribol. Int. 2000, 33, p. 817. 19. Eriksson M., Bergmann F., Jacobson S.: On the nature of tribological contact in automotive brakes. Wear2002, 252, pp. 26.
• 20. Steffen T.: Contact FE model to simulate disc brake squeal. IMAC 2000, Orlando (USA) 2000.
• 21. Osterle W., Urban I.: Friction layers and friction films on PMC brake pads. Wear 2004, 257, p. 215. 22. Ostermeyer G.P.: On the dynamics of the friction coefficient. Wear 2003, 254, p. 852.
• 23. Osterle W., Bettge D.: Comparison of methods for the characterisation of brake pad surfaces. Prakt. Metallogr. 2004, 41, p. 494.
• 24. Jang H., Lee J., Fash J.W.: Compositional effects of the brake friction material on creep groan phenomena. Wear 2001, 251, p. 1477.
• 25. Filip P., Weiss Z., Rafaja J.: On friction layer formation in polymer matrix composite materials for brake applications. Wear 2002, 252, p. 189.
• 26. Bettge D., Stracevic J.: Topographic properties of the contact zones of wear surfaces in disc brakes. Wear 2003, 254, p. 195.
• 27. Cho M.H., Kim S.J., Basch R.H., Fash J.W.: Tribological study of gray cast iron with automotive brake linings-the effect of rotor microstructure. Tribol. Int. 2003, 35, p. 537.
• 28. Blau P.J, Meyer H.M.: Characteristics of wear particles produced during friction tests of conventional and unconventional disk brake materials. Wear 2003, 255, p. 1261.
• 29. Mosleh M., Blau P.J., Dumitrescu D.: Characteristics and morphology of wear particles from laboratory tester of disk brake materials. Wear 2004, 256, p. 1128.
• 30. Shorowordi K.M., Hasseeb A.S.M.A., Celis J.P.: Velocity effects on the wear, friction and tribochemistry of aluminium MMC sliding against phenolic brake pad. Wear 2004, 256, p. 1176.
• 31. Wirth A, Eggleston D, Whitaker R.: A fundamental tribochemical study of the third body layer formed during automotive friction braking. Wear 1994, 179, p. 75.
• 32. Osterle W., Urban I.: Third body formation on brake pads and rotors. Tribol. Int. 2006, 39, p. 401.
• 33. Neis P.D., Ferreira N.F., Fekete G., Matozo L.T., Masotti D.: Towards a better understanding of the structures existing on the surface of brake pads. Tribiol. Int. 2017, 105, p. 135.
• 34. Osterle W., Dmitriev A.I., The Role of Solid Lubricants for Brake Friction Materials. Lubricants 2016, 4, p. 2.
• 35. Ho Jang , Seong Jin Kim: The effects of antimony trisulfide (Sb2 S3 ) and zirconium silicate ZrSiO4 in the automotive brake friction material on friction characteristics. Wear 2000, 239, p. 229.
• 36. S.J. Lee, J.S. Jeong, S.W. Kim, S.K. Rhee: Brake squeal and disc metallurgy variability: importance of disc wear. SAE Technical Paper 2014-01-2491, 2014.

Uwagi

1. Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023). 2. Błędna numeracja bibliografii. Brak poz. 12.