CC BY
46
УДК 629. 113 - 59.001.4
ЕФЕКТИВНІСТЬ ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ КАНАЛІВ В АВТОМОБІЛЬНИХ ДИСКОВИХ ГАЛЬМАХ З РІЗНИМИ ТИПАМИ НАКЛАДОК ПРИ ВИПРОБУВАННЯХ
Г.С. Гудз, професор, д.т.н., І.Я. Захара, інженер, О.Л. Коляса, к.т.н., Національний університет «Львівська політехніка»
Анотація. Проведено порівняльні дослідження впливу вентиляційних каналів на температурний режим автомобільних дискових гальм з азбестополімерними та металокерамічними накладками під час випробувань
І комп’ютерним моделюванням.
Ключові слова: дискові гальма, азбестополімерні та металокерамічні накладки, температурні поля, випробування І, математичне моделювання.
Вступ
На робочих поверхнях гальмових механізмів автотранспортних засобів (АТЗ) відбувається перетворення механічної енергії в теплову, а їх режими роботи характеризуються значною енергонавантаженістю, що призводить до зниження коефіцієнта стабільності гальм. Тому пошук шляхів мінімізації їх температурного режиму завжди знаходиться в полі уваги автобудівників, що й визначає актуальність питання.
Аналіз публікацій
Про позитивний ефект застосування само-вентильованих дискових гальм в АТЗ відзначається в роботах М.П. Александрова,
А.Б. Гредескула, І.С. Оржевського та інших вчених, але він не підтверджений кількісними показниками для сучасних фрикційних матеріалів та методик випробувань гальм на ефективність дії.
Мета дослідження
Провести порівняльні дослідження впливу вентиляційних каналів на температурні поля дискових гальм АТЗ з різними типами накладок під час випробувань І комп’ютерним моделюванням.
Постановка та розв’язок задачі
Напружені повторно-короткочасні режими роботи гальм характерні під час експлуатації
автобусів у великих містах, де температури поверхонь пар тертя досягають 250 - 300 °С [1]. Тому Міжнародні правила перевірки ефективності гальм АТЗ [2] передбачають випробування I. Попередній етап даних випробувань для АТЗ категорії М3 полягає у проведенні 20 циклів послідовних гальмувань зі швидкості руху Vn = 60 км/год до
V,, = 30 км/год. з інтервалом для розгону т = 60 с.
Енергії (Дж), які перетворюються гальмовими механізмами на попередньому етапі випробувань I, становлять
V2 - V2
Е = 20 Ча(-^----2-) = 2083 Ча, (1)
2 Ч3,62
де Ga - маса АТЗ, кг.
Залежність (1) характеризує загальну енергонавантаженість гальм, але не враховує тепловіддачу від них між циклічними гальмуваннями. Тому необхідні більш глибокі дослідження процесів теплопереносу при цьому типі випробувань.
Для розрахункового визначення
температурних полів у дискових гальмових механізмах слід розв’язати систему рівнянь в часткових похідних, що описують процеси
теплопереносу в складних розподіленими параметрами
об’єктах
З и. З Т щ 3 и З Т щ 3 и.
— Д * — і + — к1 * ~ ъ + —Л. ’л
З X л *
+Q =С* р /т-;
З х ї 3 у і ЗТ_
Зт
З Т щ З г ї
(2)
З И. З Т щ З И. З Т щ З И. З Т щ З х Л п З х ї З у Л ” Зу ї З г Л п З г ї ЗТ
+Q = СпР пу;
Зт
(3)
З й. З Т щ
З х Л к З х її
З Т щ З и. 'й 11
+ ЗУ к 1 к уу ї + ~ к1 к ~ ъ " Скр к ~
ЗТ щ= З г її
З Т к 'Зт
(4)
де х, у, г - поточні координати; Т -температура; 1 (х, у, z) - коефіцієнт теплопровідності гальмового диска; 1п (х, у, г) - коефіцієнт теплопровідності накладки; 1 (х, у, г) -
коефіцієнт теплопровідності колодки; сар і (х, у, г) - об’ємна теплоємність гальмового диска; Спрп (х, у, г) - об’ємна теплоємність накладки; Скрк - об’ємна теплоємність колодки; т - час; Q - густина теплового потоку.
Для розв’язку системи рівнянь (2) - (4), які в кожному конкретному випадку повинні бути доповнені крайовими умовами [3], можна скористатись програмним комплексом «фур’ є-2» [4], на базі якого розроблений розрахунковий модуль для дослідження температурних полів у гальмових механізмах АТЗ з невентильованими дисками [5].
Особливість моделювання теплового стану самовентильованого гальма полягає в тому, що у вентиляційних каналах диска змінювались об’ємна теплоємність та коефіцієнт теплопровідності пропорційно усуненій в ньому масі. На стінках вентиляційного каналу диска задавались граничні умови третього роду. Методика побудови моделі самовентильованих дискових гальмових механізмів описана в роботі [6].
При моделюванні випробувань I виникає необхідність роз’єднання пар тертя після кожного циклу гальмувань (рис. 1 та 2), яка передбачає тепловіддачу від поверхонь тертя контртіл, що відкриваються в інтервалах між гальмуваннями. Для цього створена додаткова програма для автоматизації розв’язку задачі за весь період випробувань.
Досліджувались температурні поля переднього гальмового механізму Лаз-5256-Э
^а = 18500 кг, діаметр диска D =0,42 м при товщині h = 0,03 м, коефіцієнт перекриття в = 0,25). Розрахункові значення густини теплових потоків в парах тертя при випробуваннях І: Qп = 5,4-106 Вт/м2, Qк =2,7406 Вт/м2, а коефіцієнт тепловіддачі а = 50 Вт/м2трад. Значення а ідентифіковані за результатами натурних випробувань шляхом розв’язку зворотної задачі теплопровідності методом математичного моделювання [1]. Крім того, досліджувались температурні поля гальмових механізмів з азбестополімерними та металокерамічними накладками, які наведені на рис.1б, 2б та 3. Теплофізичні параметри матеріалів пар тертя прийняті на основі даних [7].
б
з
а
Рис. 1. Конфігурація моделі гальма під час тертя (а) та його температурне поле з азбестополімерними накладками в кінці 15-го циклу гальмування (б)
Рис. 2. Конфігурація моделі гальма під час роз’єднання пар тертя (а) та його температурне поле з азбестополімерними накладками в кінці 15-го циклу гальмування (б)
аб
102 102 144 144
99 99 135 135
127 127
122 122
Рис. 3. Температурні поля переднього гальмового механізму автобуса ЛиАЗ-5256Э з металокерамічними накладками в кінці 15-го циклу гальмування (а) та охолодження (б)
Результати порівняльних досліджень температурних режимів невентильованих та самовентильованих гальм з різними типами накладок наведені на рис. 4.
З розгляду рис. 4 видно, що приблизно до 8-го циклу попереднього етапу випробувань І
температура гальм з вентильованими дисками вища від невентильованих. Після цього картина змінюється - температура самовентильованих гальм відстає від зростаючої невентильованих. Це явище можна пояснити тим, що до визначеної кількості циклів гальмувань головну роль
б
а
відіграє маса диска, яка менша у вентильованих, а потім переважаючий вплив має тепловіддача від вентиляційних каналів.
Слід зазначити, що після 14 - 15 циклів випробувань у самовентильованих дисків наступає температурна стабілізація, коли темпе-ратура поверхонь тертя в кінці попереднього
T°C
400
300
200
15 № циклів
Рис. 4. Межі зміни температур поверхонь тертя переднього гальмового механізму автобуса ЛиАЗ-5256Э за нагріванням (1) та охолодженням (2) під час попереднього етапу випробувань І: А -гальмо з невентильованим диском та азбестополімерними накладками; • -гальмо з самовентильованим диском та азбестополімерними накладками; o -гальмо з самовентильованим диском та металокерамічними накладками
етапу випробувань при застосуванні азбестополімерних накладок не перевищує 220 °С, а для металокерамічних - 156 °С. В той же час температура невентильованих гальм з азбестополімерними накладками досягає 320 °С, що приблизно на 30% вища від вентильованих з азбестополімерними накладками та
на 50% - від вентильованих з металокерамічними.
Висновок
Розкриті переваги самовентильованих гальм АТЗ за температурним режимом при проведенні попереднього етапу випробувань І. Особливо яскраво це проявляється при застосуванні металокерамічних накладок, де крім ефекту вентиляції, діє чинник перерозподілу теплоти в накладку, що знижує температуру поверхні тертя.
Література
1. Гудз Г.С. та ін. Тепловий розрахунок
автомобільних дискових гальм на типових режимах випробувань. - Львів: Ліга-Прес, 2007. - 128 с.
2. Правила № 13 ЕЭК ООН. Единообразные
предписания, касающиеся
официального утверждения
транспортных средств в отношении торможения. - Женева: 1979. - 75с.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -
М.: Наука, 1967. - 592 с.
4. Тарапон А.Г., Сорокин Н.А., Тернавский
B.О. Программный комплекс для
моделирования процессов
тепломассопереноса при аварийных ситуациях // Методы и средства компьютерного моделирования. - К. : ИПМЭ НАНУ, 1997. -
C. 58 - 60.
5. Гудз Г.С., Коляса О.А., Тарапон А.Г.
Расчетный модуль для исследования температурных полей в дисковых тормозах автотранспортных средств //: Моделювання та інформаційні технології / Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ. - К. - 2001. - Вип. 8. - С. 45 -50.
6. Гудз Г.С., Клипко О.Р., Тарапон О.Г.
Методика побудови комп’ютерної моделі автомобільного гальма з ветиляційними каналами в диску // Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАНУ. - К. - 2006. - Вип. 34. -С. 47 - 54.
7. Тормозные устройства: Справочник / Под
ред. М.П. Александрова. - М.:
Машиностроение, 1985. - 312 с.
Рецензент: В.І. Клименко, професор, к.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 12 вересня 2007 р.
